JP5009363B2 - ハイドロフォーム加工方法 - Google Patents

Description

本発明は、自動車用の排気系部品、サスペンション系部品、ボディ系部品等の製造に用いられるもので、金属管をハイドロフォーム加工する方法に関する。

近年、自動車分野では、軽量化の手段の一つとして金属管の適用が増加している。なぜなら、中実材と比べて中空の金属管材は同一の剛性でも断面積を減らすことができるからである。また、ハット型の二枚のプレスした金属板を溶接で結合する構造に対して、金属管で一体型にした構造では、溶接フランジ部が不要なため軽量化が可能になる。

しかし、自動車用部品は車内の狭い空間内に配置されるので、金属管は直管のままで使われることが少なく、殆ど、二次加工が施された後に自動車に取付けられる。二次加工としては曲げ加工が最も多いが、近年の自動車部品形状の複雑化に伴い、ハイドロフォーム加工（金属管を金型内に装着した状態で内圧と軸方向圧縮を用いて金型形状に仕上げる加工）も増加しており、さらにそれらの加工を重畳した加工も増えている。ハイドロフォーム加工自体も図１に示すように（非特許文献１より引用）に示されるように、単純なＴ成形から比べると、近年では部品形状が複雑化し、拡管率（素管の周長に対する製品管の周長の比、同図ではExpansion ratioと記述）も増加してきた。

拡管率の大きなハイドロフォームを行う方法としては、例えば特許文献１に記載のように、可動金型を用いて高枝管高さを有するハイドロフォーム成形品を得る加工法がある。但し、この方法ではＴ成形のように、或る一方向にのみ拡管する場合の形状しか適用できない。

また、特許文献２では、或る一方向に拡管した後でこの方向と直角方向に拡管する方法である。この方法を用いると、或る一方向だけでなく、全体的に拡管されたハイドロフォーム成形品を得ることができる。但し、単純な長方形断面への拡管なら容易に適用可能であるが、複雑な断面形状の場合は、更に詳細形状を仕上げるためのハイドロフォーム工程が必要となり、合計３工程のハイドロフォーム加工が必要になる。

曲げ加工とハイドロフォーム加工の両方の加工を行う場合、一般的には曲げ加工を実施した後にハイドロフォーム金型に装着してハイドロフォーム加工するが、この方法では曲げ部の拡管率を大きくすることが困難である。そこで、ハイドロフォーム加工した後に曲げ加工する方法も例えば特許文献３で提案されている。この方法は、第１工程のハイドロフォーム加工で全体的に拡管した後、第２工程で内圧を負荷しながら曲げ加工し、最後に第３工程で曲げ方向と直角方向に潰しながらハイドロフォーム加工する方法である。この方法を用いれば、曲げ加工してからハイドロフォーム加工する一般的な方法に比べて、曲げ部の拡管率を大きくすることが可能になる。しかし、その拡管率の限界は、第１工程のハイドロフォーム加工の限界値で制限され、この方法のように全体的に拡管させるハイドロフォーム加工では、あまり大きな拡管率が期待できない。

その他、特許文献４のように、ハイドロフォーム加工した後に回転引き曲げ加工する方法も提案されている。但し、当該方法では、曲げ加工方法として回転引き曲げ加工のみを対象としているため適用範囲は限られる。
特開２００２−１５３９１７号公報 特開２００２−１００３１８号公報 特開２００２−２１９５２５号公報 特願２００６−００６６９３号公報 「塑性と加工」Ｖｏｌ．４５，Ｎｏ．５２４（２００４），７１５頁

上述したように、従来は、拡管率が大きくて複雑な形状のハイドロフォーム成形品を得ることは難しく、唯一の方法としては、特許文献２に示される方法として、ハイドロフォームを３工程実施する方法があるが、この方法では工程数が多く、コスト的にも生産能率的にも不利となる。

そこで、本発明は、拡管率が大きくて複雑な形状のハイドロフォーム成形品をハイドロフォーム２工程で加工する方法を提供する。また、曲げ加工とハイドロフォーム加工が重畳される場合でも、従来は困難であった曲げ部の拡管率が大きな場合の成形品を得るための方法を提供する。

本発明は上述した課題を解決するためになされたもので、その要旨とするところは下記の通りである。

（１）金属管を分割した金型に装着し、型締めした後で前記金属管に内圧と管軸方向押し込み力を負荷するハイドロフォーム加工方法において、第１ハイドロフォーム工程で、前記金属管断面の一方向にだけ前記金属管を拡管させて、管軸方向の拡管部の全部において、製品形状の周長の90％以上100％以下の周長を有し、かつ前記一方向で少なくとも管軸方向の一部において、製品の高さより高い中間製品とした後、第２ハイドロフォーム工程で、管軸方向の全部又は一部において、前記中間製品の前記一方向の高さを減じながら前記一方向に垂直な方向に拡管させて最終製品形状に成形することを特徴とするハイドロフォーム加工方法。

（２）金属管の断面の曲率半径と、前記一方向における中間製品の断面の曲率半径が略等しいことを特徴とする前記（１）記載のハイドロフォーム加工方法。

（３）金属管の軸方向に移動自在な可動金型又は金属管の軸方向に直角な方向に移動自在なカウンターパンチを用いて、中間製品に成形することを特徴とする前記（１）又は（２）記載のハイドロフォーム加工方法。

（４）第１ハイドロフォーム工程と第２ハイドロフォーム工程の間に、中間製品を管軸方向に曲げる工程を加えることを特徴とする前記（１）、（２）又は（３）記載のハイドロフォーム加工方法。

尚、本発明（２）で、曲率半径が略等しいとは、素管（金属管）の曲率半径に対し、中間製品の断面の曲率半径が９０〜１１０％の範囲にあることを言う。

図２〜２０を用いて本発明の詳細を説明する。

図２（ａ）、（ｂ）は、最終的に必要な製品形状の側面図（Ｘ−Ｙ平面）、上面図（Ｘ−Ｚ平面）、及び各断面図（Ｙ−Ｚ平面）を示している。当該形状の製品を外径２ｒ（半径ｒ）の管材からハイドロフォーム加工で製造しようとした場合、断面Ａ−Ａから断面Ｇ−Ｇの範囲を図のように複雑な形状に拡管しなくてはならない。一般にハイドロフォーム加工では、管内部の内圧と両管端からの軸押し込みによって複雑形状に拡管するが、当該形状のようにＹ方向とＺ方向の両方に拡管する場合は非常に成形が困難となる。特に、成形性の低い材料（ｎ値、ｒ値、伸び等の低い材料）や拡管率の大きい形状では難しく、成形が不可能となる場合もある。

このような場合、従来は、加工工程を複数に分けて徐々に拡管率を増加させることが行われてきた。例えば、素管の周長Laから最終製品形状の周長Lcまで拡管したい場合、中間製品形状の周長LbをLaとLcの中間程度の値（例えば、(La＋Lc)／２）に設定して２工程に分けて拡管する。形状的にも素管と最終製品形状の中間程度の形状に中間製品の形状を設定するのが一般的であった。しかし、第１ハイドロフォーム工程において、素管の周長Laから中間製品形状の周長Lbに拡管する時点で、既に加工硬化が付与されるため、第２ハイドロフォーム工程の前に加工歪を除去するための熱処理が必要となり、コスト的にも生産効率的にも非常に不利となる。また、熱処理しない方法としては、特許文献２のように第１ハイドロフォーム工程でＺ方向に拡管した後に第２ハイドロフォーム工程でＹ方向に拡管することも考えられるが、当該形状のように複雑な形状の場合、２工程だけで最終製品形状に加工することは不可能であり、更に詳細形状に仕上げる第３ハイドロフォーム工程が必須となる。

上記のような課題を解決するため、本発明による加工方法では、まず第１ハイドロフォーム工程で１方向だけ拡管する。図４（ａ）、（ｂ）の下図の例ではＹ方向だけ拡管している。これは、１方向だけ拡管する方が、純粋せん断変形に近い変形状態になるため大変形が可能になるからである。当該理論は、従来法の特許文献２でも利用しているが、当該方法の第２ハイドロフォーム工程では、実際には純粋せん断変形させることは難しく、カウンタ等の対策を追加しないと加工初期に張り出し変形が起きるため割れが生じやすい。それに対して本発明では、第２ハイドロフォーム工程の成形難度を下げるため、第１ハイドロフォーム工程で最終的な製品形状の周長とほぼ同程度の周長まで拡管する点が従来法と異なる。但し、最終的に材料余りが生じるとしわが残るため、中間製品形状の周長は、最終製品形状の周長の100％以下に設定することが必要である。

一方、中間製品形状の周長が最終製品形状の周長の９０％より短いと、その分、第２ハイドロフォーム工程で拡管する率が上がるため第２ハイドロフォーム工程の加工が困難になり、割れ等が発生しやすくなる。このため、本発明の第１ハイドロフォームにおける中間製品形状の周長は最終製品形状の９０％以上となるように拡管しておくことが必要である。以上の要領で中間製品形状の周長を設定すると図３のグラフのようになる。なお、上記１方向における中間製品の高さを最終製品の高さより高くする上限は特に定めることなく本発明の効果を得ることができるが、後述の第２ハイドロフォーム工程でしわが発生するのを確実に防止するためには、最終製品の高さの２００％以下とすることが好ましい（以上（１）に係る発明）。

上記の結果、図４（ａ）、（ｂ）に示すような中間製品形状が設計される。本例では、断面のＺ方向には拡管されず、Ｙ方向の＋側のみ拡管され、周長としては、全ての拡管された断面で最終製品の90％から100％の範囲に設定してある。図２（ａ）、（ｂ）に示す最終製品形状はＹ方向及びＺ方向に拡管された形状のため、Ｙ方向の高さは、拡管された管軸方向の全部（Ａ、Ｇを除くＡ〜Ｇの全ての断面）において、最終製品形状の場合よりも高い。

一方、最終製品の形状がＹ方向のみに拡管されている部位がある場合は、当然、中間製品の高さは最終製品の高さより低くなることがある。

また、断面上部と下部の形状は平坦な形状、すなわち長方形断面でも構わないが、その場合はコーナー部近傍で減肉し易くなるため拡管率の大きな場合は不利となる。よって、同図のように素管と概略等しい曲率半径（同図ではｒ）に設定することが好ましい（前記（２）に係る発明）。

図４（ａ）、（ｂ）で設計された中間製品を、具体的には図５（ａ）のような要領でハイドロフォーム加工する。すなわち、金属管１を第１ハイドロフォーム工程の上金型２と下金型３の間に挟持した後、両管端から軸押しパンチ４、４で押し込んで、図２（ａ）、（ｂ）に示す最終製品形状がＹ方向及びＺ方向に拡管された形状の場合は、拡管された全部の断面で、Ｙ方向の高さを減じるように中間製品を潰していく。その際、同時に軸押しパンチ４の水挿入口５から水６を金属管１内部に挿入して内圧を負荷する。その結果、上金型２と下金型３の空洞部の形状に沿うように金属管１が加工され、中間製品７が得られる。

最終製品がＹ方向のみに拡管された部位を有する場合は、拡管された一部の断面で、Ｙ方向の高さを減じるように中間製品を潰していく。

また、拡管率の大きな場合などには、図５（ｂ）のように管軸方向に直角な方向に移動自在なカウンターパンチ８を設けて金属管１のバーストや座屈を抑制しながらハイドロフォーム加工しても良い（前記（３）に係る発明）。また、直管部分の摺動抵抗が大きくて拡管部に軸押し込みが伝わりにくい場合は、図５（ｃ）のように、管軸方向に移動自在な可動金型９を用いて、管端と可動金型を軸押しパンチ１０で同時に押し込んでハイドロフォーム加工しても良い（前記（３）に係る発明）。

図５の要領でハイドロフォーム加工された中間製品７を図６に示すように、第２ハイドロフォームの下金型１２に装着し、少なくとも管軸方向の一部において、上金型１１で中間製品７をＹ方向に潰しながら（第１ハイドロフォーム工程で拡管させた１方向、即ち図５の例では、断面Ｃ−ＣにおけるＹ方向の高さを減じながら）型締めする。すると、中間製品の高さを減じるように加工した部位においては、Ｙ方向に潰れる分、Ｚ方向に断面が広がる。この際、内圧を負荷しながら型締めすると、しわ発生も抑制されて、より有効である。型締めした後は、通常のハイドロフォーム加工である内圧負荷、あるいは軸方向の押し込みも付加して金型形状に沿わせた最終製品１３が完成される。

また、図４（ａ）、（ｂ）の拡管方向はＹ方向の＋側のみとしたが、最終製品の形状によっては、図７（ａ）のように＋側と−側の両方に拡管しても構わない。また、Ｚ方向には一切拡管していけないわけではなく、図７（ｂ）のように若干Ｚ方向に拡管（本図では素管径２ｒの1.05倍）しながらＹ方向に拡管しても差し支えない。

次に、第１ハイドロフォーム加工と第２ハイドロフォーム加工の間に曲げ加工が入る例を説明する（前記（４）に係る発明）。図２〜図４と同じ要領で、金属管断面の一方向（図８ではＹ方向とする）に拡管させて、管軸方向の拡管部の全部において最終製品の管軸方向の各断面の周長に対して90％から100％の範囲になり、かつ少なくとも管軸方向の一部について、製品高さより高くなるように中間製品形状を設計する。この第１ハイドロフォーム工程では、図８のように管軸方向に直線的な形状に加工して中間製品７を得る。直線形状の方が材料を押し込み易いため拡管率の大きな成形にも有利だからである。

その後、図９、図１０のように、中間製品７を曲げ加工する。曲げ加工の工法は、回転引き曲げ工法やプレス曲げ工法等、何れの方法でも良く、管材のサイズや材質、曲げ半径等によって使い分ければよい。なお、当該図は、比較的簡易な曲げ工法であるプレスによる３点曲げの例である。すなわち、第１ハイドロフォーム加工された中間製品７を支点１５、１５の上に置き、その上方からパンチ１４を押し込んでいくことで曲げ加工された中間製品１６が得られる。また、曲げ加工に対しての拡管部の位置は、本例のような曲げ外側でなく、曲げ内側、あるいは側面でも、どこでも良い。その際、曲げ加工のパンチ１４や支点１５で拡管部を押し潰さない様にすることが望ましいが、その後の第２ハイドロフォーム工程で支障のない範囲であれば、若干拡管部が変形されても構わない。

最後に、曲げ加工された中間製品１６を第２ハイドロフォームの下金型１２に装着して、少なくとも管軸方向の一部について上金型１１で潰しながら（Ｙ方向の高さを減じながら）型締めしていき、その後、内圧と軸押し込みを負荷する。これらの要領は図６で説明した要領と同じである。以上の一連の加工工程を経て、最終的に曲げ加工とハイドロフォーム加工が両方行われた最終製品１３が得られる。

下記に本発明の実施例を示す。

金属管には外径63.5mm、肉厚2.3mm、全長400mmの鋼管を用い、鋼種は機械構造用炭素鋼鋼管のSTKM11Aを採用した。製品形状を図１１（ａ）、（ｂ）に示すが、最大拡管率が2.00と大きく、しかも断面のＹ方向、Ｚ方向共に拡管される形状である。周長の分布を図１２のグラフの細線で示す。管軸方向の拡管部の全部についてこの製品周長とその90％の値（図中の破線）との間の範囲となるように中間形状の周長（図１２中の太線）を設定した。その設定した周長と合致するように、中間製品の各断面形状を設計する。その際、中間製品の形状は、図１３（ａ）、（ｂ）のように、断面のＺ方向の寸法は素管の外径と同じ63.5mmとして、Ｙ方向の寸法のみ軸方向（Ｘ方向）に変化させた。本実施例の最終製品は、Ｙ方向の−側には拡管されない形状のため、中間製品でもＹ方向の−側には拡管しないで＋側のみ拡管する形状にした。また、断面上下（Ｙ方向の＋側及び−側）の形状は、素管と同じ曲率半径である31.75mmの半円形の形状にした。

上述のように設計した中間製品を図１４に示すような金型で加工した。本実施例の拡管率は比較的大きいため、ハイドロフォーム成形時の減肉を極力抑制するために、管軸方向に移動自在な可動金型９を用いたハイドロフォーム成形を行った。この第１ハイドロフォーム工程の加工条件としては、内圧は32MPaで、軸押し量は両端とも40mmとした。なお、軸押し時には、金属管１の端部と同時に可動金型９を押し込むことができる軸押しパンチ１０を用いた。ハイドロフォーム加工完了時に、全長は320mmとなり、形状は図１１〜図１３で設計した中間製品の形状となる。

次に、中間製品７を図１５に示す第２ハイドロフォーム下金型１２の中に置き、拡管された全部の断面で、Ｙ方向の高さを減じるように上方から上金型１１を降下させて型締めする。最後に、内圧と軸押しを負荷するハイドロフォーム加工を行う。第２ハイドロフォーム工程の加工条件としては、内圧は最大180MPaまで負荷し、軸押しは両端よりそれぞれ20mmずつ押し込んだ。

上記のような一連の加工方法によって、拡管率が2.00で、しかも断面がＹ方向、Ｚ方向ともに大きく拡管されている加工品を得ることができた。しかも、第１ハイドロフォームと第２ハイドロフォームの２工程のみで加工できた。

次に、曲げを含んだ形状の製品の実施例に関して説明する。図１６、図１８に中間製品形状を設計する要領を記した。基本的には、実施例１で説明した図１１〜図１３の要領と同じである。最終製品の管軸方向をＸ軸と設定し、そのＸ軸と垂直な各断面における周長を調査する。そして、管軸方向（Ｘ軸）の拡管部の全部について、その製品周長の90％から100％の範囲になるように中間製品の周長を図１７に示した方法で設計する。なお、本実施例２の最終製品の各断面は、前述の実施例１の最終製品の各断面と同一とした。この中間製品の周長と合致するように中間製品の形状を設計するが、この際の要領も実施例１の場合と同じで、断面の寸法はＹ方向のみ＋側に伸ばした形状とした。但し、管軸方向（Ｘ方向）の形状は、直線形状にする。これは、曲げた形状を拡管するよりも直線形状の方が、管軸方向へ材料が流入しやすいためである。

上記で設計した中間製品の形状に第１ハイドロフォーム工程で加工するが、各断面形状が実施例１と同一であり、しかも直線形状のため、第１ハイドロフォーム工程は全く実施例１と同一形状となる。よって、実施例１の第１ハイドロフォーム工程で用いた金型を使用して図１４の要領で、中間製品７を得た。

次に、上記中間製品７を３点曲げのプレス加工で曲げ加工した。図１９に示すように、支点１５、１５間の距離を240mmとして、上方から半径111mm、角度90°のパンチ１４を押し込んで中間製品７を曲げ加工した。なお、パンチ１４、支点１５、１５とも断面は中間製品７の直管部と同一の半径31.75mmの半円形の溝が設けられており、曲げ加工時に中間製品７が極力潰れない様にされている。

上記の曲げ加工で得られた中間製品１６を図２０に示す第２ハイドロフォーム工程の下金型１２の上に置き、拡管された全部の断面で、Ｙ方向の高さを減じるように上方から上金型１１を降下させて型締めする。最後に最大圧力180MPaの内圧と両端から20mmの軸押しを負荷する。

以上の一連の加工工程の結果、曲げ部の拡管率が2.00で、しかも断面がＹ方向、Ｚ方向ともに大きく拡管されている加工品を得ることができた。

本発明により、従来よりもハイドロフォームの適用可能範囲が拡大され、自動車への管状部品の種類が増加する。これにより、自動車の軽量化が更に進み燃費向上によって地球温暖化抑制にも貢献できる。

ハイドロフォーム技術分野の進展の説明図を示す。 本発明における、製品形状を元に中間製品形状を設計する方法の説明図を示す図である。図２（ａ）は断面形状を示し、図２（ｂ）は側面形状を示す。 は、図２において中間製品の形状の設計において、最終製品の形状を周長と、中間製品の形状の周長を示す図である。 は本発明における、製品形状を元に中間製品形状を設計する方法の説明図を示す図である。図４（ａ）は断面形状を示し、図４（ｂ）は側面形状を示す。 本発明における第１ハイドロフォーム工程の説明図を示す。 本発明における第２ハイドロフォーム工程の説明図を示す図である。 本発明における各種形状の中間製品に加工するための第１ハイドロフォーム工程の説明図を示す図である。 曲げ加工を含む場合の本発明の加工方法の説明図を示す図である。 図８に続く曲げ加工を含む場合の本発明の加工方法の説明図を示す図である。 図９に続く曲げ加工を含む場合の本発明の加工方法の説明図を示す図である。 製品形状を元に中間製品形状を設計する実施例の説明図を示す図である。図１１（ａ）は断面形状を示し、図１１（ｂ）は側面形状を示す。 図１１において中間製品の形状の設計において、最終製品の周長と、中間製品の形状の周長を示す図である。 本発明における製品形状を元に中間製品形状を設計する方法の説明図を示す図である。図１３（ａ）は断面形状を示し、図１３（ｂ）は側面形状を示す。 第１ハイドロフォーム工程と第２ハイドロフォーム工程の実施例の説明図を示す図である。 図１４に続くハイドロフォーム工程の実施例の説明図を示す図である。 曲げを含んだ形状の場合の、製品形状を元に中間製品形状を設計する実施例の説明図を示す図である。図１６（ａ）は断面形状を示し、図１６（ｂ）は側面形状を示す。 図１６において、中間製品の形状の設計において、最終製品の製品形状の周長と、中間製品の形状の周長を示す図である。 曲げを含んだ形状の場合の、製品形状を元に中間製品形状を設計する別の実施例の説明図を示す図である。図１８（ａ）は断面形状を示し、図１８（ｂ）は側面形状を示す。 曲げ加工を含む場合の各工程の実施例の説明図を示す図である。 図１９で示す工程に続く各工程の実施例の説明図を示す図である。

Claims (4)

1. 金属管を分割した金型に装着し、型締めした後で前記金属管に内圧と管軸方向押し込み力を負荷するハイドロフォーム加工方法において、第１ハイドロフォーム工程で、前記金属管断面の一方向にだけ前記金属管を拡管させて、管軸方向の拡管部の全部において、製品形状の周長の90％以上100％以下の周長を有し、かつ前記一方向で少なくとも管軸方向の一部について、製品の高さより高い中間製品とした後、第２ハイドロフォーム工程で、管軸方向の全部又は一部において、前記中間製品の前記一方向の高さを減じながら前記一方向に垂直な方向に拡管させて最終製品形状に成形することを特徴とするハイドロフォーム加工方法。
2. 金属管の断面の曲率半径と、前記一方向における中間製品の断面の曲率半径が略等しいことを特徴とする請求項１記載のハイドロフォーム加工方法。
3. 金属管の軸方向に移動自在な可動金型又は金属管の軸方向に直角な方向に移動自在なカウンターパンチを用いて、中間製品に成形することを特徴とする請求項１又は２記載のハイドロフォーム加工方法。
4. 第１ハイドロフォーム工程と第２ハイドロフォーム工程の間に、中間製品を管軸方向に曲げる工程を加えることを特徴とする請求項１、２又は３記載のハイドロフォーム加工方法。