JP5239505B2

JP5239505B2 - ハイドロフォーム加工方法

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Publication number: JP5239505B2
Application number: JP2008129969A
Authority: JP
Inventors: 学和田
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2008-05-16
Filing date: 2008-05-16
Publication date: 2013-07-17
Anticipated expiration: 2028-05-16
Also published as: JP2009274125A

Description

本発明は、金属管を金型に装着して当該金型を型締めした後、金属管内部に内圧と管軸方向の押し力を負荷することにより所定形状に成形する、ハイドロフォーム装置および加工方法に関するものであり、特に、管軸と交差する方向に枝管を有する管を製造する装置と加工方法に関する。

ハイドロフォーム技術は、自動車分野をはじめとする機械要素の部品数を削減し、低コスト化および軽量化を実現する手段として着目されており、近年は、ハイドロフォーム適用部品の増加と市場規模の拡大が顕著である。

市場規模の拡大に伴い、ハイドロフォーム適用部品は、自動車分野に限らず、二輪車や建築機械、さらには、構造物の分野にも広がっており、適用範囲の拡大と共に、ハイドロフォーム成形が困難な形状への適用も増加の傾向にある。例えば、枝管部を有するＴ字型の管を製造するＴ成形では、枝管部の張出し高さが大きい形状、枝根元部の直管部から枝管部への曲率（以後、枝根元部曲率と称す）が大きい形状、枝管部の断面形状が複雑な形状等が求められている。

枝管部の張出し高さを大きく取るためには、直管部の座屈を防止しつつ軸押しを積極的に行うべく、可動金型とカウンタを用いる必要がある。これは、軸押しと共に、長手方向に分割した金型を軸方向に移動させて、直管部の座屈を防止すると共に、枝管頭頂部にはカウンタを設けて、軸押しと内圧を付加しながらカウンタを引き、枝管部の頭頂で著しい減肉が生じないように成形を進めるものである（例えば、特許文献１、参照）。

特開２００４−０１７１０７号公報

しかしながら、枝根元部曲率を大きくすると、金型とカウンタとで間隙が生じ、素管材料が間隙に入り込み座屈し、成形不能となる。他方、間隙が生じないように、カウンタを一定量だけ引いておくと、枝管部の頭頂において減肉が顕著となり、枝管部の張出し高さを大きくすることが困難である。

例えば、特許文献１に開示されたハイドロフォーム成形方法において、枝管部は、軸押しと内圧の付加により、直管部より材料を流入させることで成形が完了する。このため、枝管部は、材料流入を阻害するような複雑形状をとることはできず、枝管部の成形と同時に、枝管部へ局部的な縮径や拡径を施すことは困難である。枝管部に、これらの成形を施すためには、ハイドロフォーム成形を多工程で実施する必要がある。

本発明は、カウンタを用いることなく枝張出し高さを大きくすることが可能で、枝根元部曲率が大きく、かつ、枝管部に複雑形状を持つハイドロフォーム成形を可能とする装置および加工方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の要旨とするところは、下記の通りである。

（１）管軸方向に２分割され、かつ、管軸と直角方向に複数層積層された可動金型と、該可動金型を外側から保持する一体構造又は分割構造の固定金型と、金属管内部に液体を供給して内圧を付与する内圧付与手段と、管軸方向に移動可能な軸押しパンチからなるハイドロフォーム装置を用いて、全ての可動金型を前進させた状態で可動金型内に金属管を装着し、該可動金型を固定金型により型締めし、軸押しパンチを用いて金属管に管軸方向の押し力を負荷しながら、上記可動金型の第１層から最外層までを順に後退させて、枝管部を有するように拡管することを特徴とするハイドロフォーム加工方法。
ただし、可動金型の第１層は、金属管に近い側をいい、可動金型の最外層は、金属管から最も遠い側をいい、該最外層が第２層である場合も含む。

（２）前記（１）記載のハイドロフォーム加工方法において、可動金型の第１層を後退させ、かつ、第２層から最外層までの可動金型を前進させた状態で、可動金型内に金属管を装着し、該可動金型を固定金型により型締めし、軸押しパンチを用いて金属管に管軸方向の押し力を負荷しながら、上記可動金型の第１層を固定したまま、または、前進させ、かつ、上記可動金型の第２層から最外層までを順次後退させて、枝管部を有するように拡管することを特徴とするハイドロフォーム加工方法。
ただし、可動金型の第１層は、金属管に近い側をいい、可動金型の最外層は、金属管から最も遠い側をいい、該最外層が第２層である場合も含む。

（３）前記（１）記載のハイドロフォーム加工方法において、可動金型の第１層を後退させ、かつ、第２層から最外層までの可動金型を前進させた状態で、可動金型内に金属管を装着し、該可動金型を固定金型により型締めし、軸押しパンチを用いて金属管に管軸方向の押し力を負荷しながら、上記可動金型の第１層を固定したまま、または、前進させ、かつ、上記可動金型の第２層から最外層までを所定の位置へ順次後退させ、その後、上記可動金型の第２層から最外層までの少なくとも１層以上を、所定の位置から前進または後退させて、拡径部または縮径部を伴う枝管部を有するように拡管することを特徴とするハイドロフォーム加工方法。
ただし、可動金型の第１層は、金属管に近い側をいい、可動金型の最外層は、金属管から最も遠い側をいい、該最外層が第２層である場合も含む。

（４）管軸方向の断面で、前記枝管部がくびれを有するように拡管することを特徴とする（１）〜（３）のいずれか１項に記載のハイドロフォーム加工方法。

本発明によれば、従来は成形が困難であった枝高さの大きなハイドロフォーム部品を、カウンタを用いずに成形することが可能になる。また、本発明によれば、枝根元部曲率が大きな成形をすることが可能になる。さらに、本発明によれば、枝管部の断面を縮径または拡径することが可能になる。

これらのことにより、ハイドロフォーム技術の適用部品が拡大され、自動車をはじめとする産業機械および構造用部材への適用とそれに伴う軽量化・低コスト化・低資源化が進むので、本発明は、省資源と省エネルギに貢献できる。

図１を用いて、前記（１）および（２）の本発明に係る装置例を具体的に説明する。

本発明に係る装置例は、管軸方向に２分割され、かつ、管軸と直角方向に積層された可動金型１ａ（第１層）、１ｂ（第２層）、１ｃ（第３層）、・・・、１ｎ（最外層）と、該可動金型を外側から保持する固定金型２ａ、２ｂと、金属管４内部に液体を供給して内圧を付与する内圧付与手段（図示しない）と、管軸方向に移動可能な軸押しパンチ３ａ、３ｂからなることを特徴とする。

図１では、可動金型はｎ層（ｎは整数）となっているが、ｎは２以上の整数であれば、後述するように、可動金型を積層、かつ、軸方向に後退または前進自在とすることにより、枝管部の縮径、または拡径をすることが可能になる。可動金型の駆動手段は、油圧、機械式、その他でも、特に限定するものではない。

また、固定金型については、２分割された態様を示したが、固定金型は筒型等の一体に成形されたものでもよい（前記（１）の本発明）。また、２分割だけでなく、周方向に３以上に分割されたものでもよく、固定金型の変形、割れ防止の観点から好ましい（前記（２）の本発明）。

次に、図１を用いて、前記（３）の本発明のハイドロフォーム加工方法（前記（３）の加工方法）を具体的に説明する。

前記（３）の加工方法は、前記（１）または（２）の本発明に係るハイドロフォーム装置を用いて、全ての可動金型１ａ、１ｂ、１ｃ、・・・１ｎを前進させ、図１に示すように、第１層から第ｎ層の可動金型を突き合わした状態で、可動金型内に金属管４を装着し、可動金型を固定金型２ａ、２ｂにより型締めし、軸押しパンチ３ａ、３ｂを用いて、金属管４に管軸方向の押し力を負荷しながら、可動金型の第１層（１ａ）から最外層（１ｎ）までを順に後退させて、枝管部を有するように拡管することを特徴とする。

各層の可動金型の移動量（後退量）を調整することにより、枝管部の管径を同一に成形することも、枝管部の一部を拡径または縮径した形状に成形することも可能となる（前記（６）の本発明）。

次に、図２を用いて、前記（４）の本発明のハイドロフォーム加工方法（前記（４）の加工方法）を具体的に説明する。

前記（４）の加工方法は、前記（１）または（２）の本発明に係るハイドロフォーム装置を用いて、可動金型の第１層（１ａ）を後退させ、かつ、第２層（１ｂ）から最外層（１ｎ）までの可動金型（１ｂ、・・・、１ｎ）を前進させて、図２に示すように、第２層から第ｎ層までの可動金型（１ｂ、・・・、１ｎ）が突き合わされた状態で、可動金型内に金属管４を装着し、可動金型を固定金型２ａ、２ｂにより型締めし、軸押しパンチ３ａ、３ｂを用いて、金属管４に管軸方向の押し力を負荷しながら、可動金型の第１層（１ａ）を固定したまま、または、前進させ、かつ、第２層から最外層までの可動金型を順次後退させて、枝管部を有するように拡管することを特徴とする。

第１層〜第ｎ層の可動金型の移動量（前進量または後退量）を調整することにより、枝管部の管径を同一に成形することも、枝管部の一部を拡径または縮径した形状に成形することも可能となる（前記（６）の本発明）。

図２では、第１層の可動金型１ａを前進させているが、枝管部の管径と等しくなるように可動金型１ａを後退させて、可動金型内に金属管４を装着すれば、可動金型１ａを固定したまま、第２層の可動金型１ｂ以降を、順次、後退させてもよい。

次に、図３を用いて、前記（５）の本発明のハイドロフォーム加工方法（前記（５）の加工方法）を具体的に説明する。

前記（５）の加工方法は、前記（１）または（２）の本発明に係るハイドロフォーム装置を用いて、可動金型の第１層（１ａ）を後退させ、かつ、第２層（１ｂ）から最外層（１ｎ）までの可動金型を前進させた状態で、可動金型内に金属管を装着し、該可動金型を固定金型により型締めし、軸押しパンチを用いて金属管に管軸方向の押し力を負荷しながら、上記可動金型の第１層（１ａ）を固定したまま、または、前進させ、かつ、上記可動金型の第２層（１ｂ）から最外層（１ｎ）までを所定の位置へ順次後退させることを特徴とする（図３（ａ）、参照）。

次に、可動金型の第２層から最外層までの少なくとも１層以上を、所定の位置から前進させて、縮径部を伴う枝管部を有するように拡管する（図３（ｂ）、参照）か、または、第２層（１ｂ）から最外層（１ｎ）までの少なくとも１層以上を、所定の位置から後退させて、拡径部を伴う枝管部を有するように拡管する（図３（ｃ）、参照）。

図３（ｂ）および（ｃ）では、第１層の可動金型１ａを前進させているが、枝管部の管径と等しくなるように、可動金型１ａの初期位置を規定し、可動金型内に金属管４を装着すれば、可動金型１ａを固定したまま、可動金型の第２層から第ｎ層の少なくとも１層以上を前進または後退させてもよい。このような操作により、拡径部または縮径部を有する枝管部を成形することが可能になる（前記（６）の本発明）。

また、第１層と第２層以降の可動金型の曲率半径が一体となるように加工することにより、第１層と第２層以降の前進および／または後退量を調整すれば、枝根元部曲率を変化させることも可能になる。

（実施例１）
図４〜６に、本発明の実施例を示す。

ハイドロフォーム装置は、管軸方向に２分割され、かつ、管軸と直角方向に積層され、油圧により駆動されて、管軸方向に後退または前進が可能な可動金型１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄと、これらの可動金型を外側から保持するための上下に２分割された固定金型２ａ、２ｂと、金属管４の内部に水を供給して内圧を付与する内圧付与手段（図示しない）と、管軸方向に移動可能な軸押しパンチ３ａ、３ｂからなる。

金属管４は、外径６３．５ｍｍ、肉厚２．０ｍｍ、全長５００ｍｍの鋼管で、鋼種は、機械構造用炭素鋼鋼管のＳＴＫＭ１３Ｂである。枝管部の断面は、１辺の長さが６３．５ｍｍの正方形状で、角Ｒは３ｍｍ、高さが５０ｍｍである。可動金型１ａの高さは５ｍｍ、可動金型１ｂ〜１ｄの高さは、それぞれ１５ｍｍである。枝根元部曲率Ｒは１５ｍｍである。

まず、図４（ａ）に示すように、全ての可動金型１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄを前進させて、２分割の可動金型が突き合わされた状態で、可動金型内に金属管４を装着して型締めする。可動金型は、枝管部における角Ｒが干渉しない位置を前進限とする。

次に、図４（ｂ）に示すように、軸押しパンチ３ａ，３ｂを介して金属管４の内部に水を送り込んで充填してから、軸押しパンチ３ａ、３ｂを前進させながら、可動金型１ａを、両側の軸押しパンチ３ａ、３ｂの方向に後退させつつ、金属管４の管端をシールする。

続けて、可動金型１ａを枝管部の幅寸法６３．５ｍｍの位置まで後退させつつ、軸押しパンチ３ａ、３ｂを１０ｍｍ前進させて、金属管４に管軸方向の押し力を負荷しながら、内圧を１２ＭＰａから３５ＭＰａまで増加させる。金属管４は、可動金型１ａの間隙に流入して成形され、枝管部の頭頂が、可動金型の第２層１ｂに接触し、可動金型１ａ、１ｂ、下側固定金型２ｂ、軸押しパンチ３ａ、３ｂから構成される形状に成形される。

さらに、図５（ｃ）に示すように、固定金型２ａ、２ｂを型締めしたまま、可動金型１ｂを後退させつつ、軸押しパンチ３ａ，３ｂを３０ｍｍ前進させて、金属管４に管軸方向の押し力を負荷しながら、内圧を２０ＭＰａから４０ＭＰａまで増加させ、可動金型１ｂを枝管部の幅寸法６３．５ｍｍの位置まで後退させる。

金属管４は、可動金型１ｂの後退に伴う間隙に流入して成形され、枝管部の頭頂が、可動金型の第３層１ｃに接触する。可動金型１ａを後退させた段階での内圧は３５ＭＰａであるが、そのままの内圧で可動金型１ｂを後退させると、金属管４が、可動金型１ｂの後退に伴う間隙に一気に流入して、バーストの可能性がある。このため、可動金型１ｂを後退させる前に、軸押しパンチ３ａ，３ｂの前進に伴うしわが発生しない程度に、内圧を下げるとよい。

同様に、図５（ｄ）に示すように、軸押しパンチ３ａ，３ｂを３０ｍｍ前進させながら、内圧を２３ＭＰａから４５ＭＰａまで増加させ、可動金型１ｃを、枝管部の幅寸法６３．５ｍｍの位置まで後退させる。

その後、図６（ｅ）に示すように、軸押しパンチ３ａ，３ｂを３０ｍｍ前進させながら、内圧を２６ＭＰａから５０ＭＰａまで増加させ、可動金型１ｄを、枝管部の幅寸法６３．５ｍｍの位置まで後退させる。

最終的には、図６（ｆ）に示すように、可動金型１ａ〜１ｄが、全て、枝管部の幅寸法６３．５ｍｍの位置まで後退した状態とし、軸押しパンチ３ａ，３ｂを固定したまま、内圧を５０ＭＰａから１００ＭＰａまで増加させ、金属管４における枝管部の頭頂が、上側固定金型２ａに接触し、側面が、可動金型１ａ〜１ｄに接触し、直管部が、可動金型１ａと下側固定金型２ｂに接触し、管端が、軸押しポンチ３ａ，３ｂに接触した状態で成形を完了する。

以上により、直管部の直径が６３．５ｍｍ、全長が３００ｍｍで、枝張出し形状が１辺６３．５ｍｍの正方形、高さが５０ｍｍのハイドロフォーム成形品が得られた。肉厚は、最小１．７ｍｍ、最大３．２ｍｍである。

なお、本発明を用いずに枝管部の空隙を最初から有する固定金型を用いてハイドロフォーム加工を施すと、枝管の頭頂部から割れが生じるか、枝管部の根元で座屈が生じて、良好なハイドロフォーム品を得ることができなかった。

（実施例２）
金属管４は、外径が６３．５ｍｍ、肉厚が２．０ｍｍ、全長が５００ｍｍの鋼管で、鋼種は、機械構造用炭素鋼鋼管のＳＴＫＭ１３Ｂである。枝管部の断面は、１辺の長さが６３．５ｍｍの正方形状で、高さ５０ｍｍとし、可動金型１ａの高さは５ｍｍ、可動金型１ｂ〜１ｄの高さは、それぞれ、１５ｍｍの４層構造である。可動金型１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄは、それぞれ、管軸方向に２分割されている。枝根元部曲率Ｒは１５ｍｍである。

はじめに、可動金型１ａを枝管部の幅寸法６３．５ｍｍの位置まで後退させて、その他の可動金型１ｂ、１ｃ、１ｄは、それぞれ突き合わされた状態で金属管を型締めした以外は、実施例１と同じ方法で、図６（ｆ）に示す枝張出し高さ５０ｍｍのハイドロフォーム成形品を製作した。

次に、図６（ｇ）に示すように、可動金型１ｃを、管軸方向に１２ｍｍ前進させまたは８ｍｍ後退させ、軸押しパンチ３ａ、３ｂを４０ｍｍ前進させながら液体の圧力を高めて、金属管４を、上側固定金型２ａ、下側固定金型２ｂ、可動金型１ａ〜１ｄに密着するように拡管した。

ただし、図６（ｇ）は、左半面が可動金型１ｃを管軸方向に１２ｍｍ前進させたとき、右半面が管軸方向に８ｍｍ後退させたときを示し、それぞれ軸対称形状をなす。

以上により、図６（ｇ）に示すように、枝張出し高さ５０ｍｍの枝管部に、幅１５ｍｍで、深さ１２ｍｍの縮管部を有するハイドロフォーム成形品（図６（ｇ）左半面）、および、幅１５ｍｍで高さ８ｍｍの拡管部を有するハイドロフォーム成形品（図６（ｇ）右半面）を得ることができた。

本発明の加工方法を説明する図である。本発明の別の加工方法を説明する図である。本発明の別の加工方法を説明する図である。（ａ）は、第２層から最外層の可動金型を所定の位置へ順次後退させる態様を示し、（ｂ）は、少なくとも１層の可動金型を、所定の位置から前進させて成形する態様を示し、（ｃ）は、少なくとも１層の可動金型を、所定の位置から後退させて成形する態様を示す。本発明の実施例を説明する図である。（ａ）は、可動金型内に金属管を装着した態様を示し、（ｂ）は、金属管を成形する態様を示す。図４に続く成形態様を説明する図である。（ｃ）は、成形を続行する態様を示し、（ｄ）は、さらに、成形を続行する態様を示す。図５に続く成形態様を説明する図である。（ｅ）は、成形を続行する態様を示し、（ｆ）は、さらに成形を続行する態様を示し、（ｇ）は、枝管部に、さらに、成形を施す態様を示す。

符号の説明

１可動金型
１ａ可動金型の第１層
１ｂ可動金型の第２層
１ｃ可動金型の第３層
１ｎ可動金型の第ｎ層かつ最外層
２ａ、２ｂ固定金型
３ａ、３ｂ軸押しパンチ
４金属管

Claims

管軸方向に２分割され、かつ、管軸と直角方向に複数層積層された可動金型と、該可動金型を外側から保持する一体構造又は分割構造の固定金型と、金属管内部に液体を供給して内圧を付与する内圧付与手段と、管軸方向に移動可能な軸押しパンチからなるハイドロフォーム装置を用いて、全ての可動金型を前進させた状態で可動金型内に金属管を装着し、該可動金型を固定金型により型締めし、軸押しパンチを用いて金属管に管軸方向の押し力を負荷しながら、上記可動金型の第１層から最外層までを順に後退させて、枝管部を有するように拡管することを特徴とするハイドロフォーム加工方法。
ただし、可動金型の第１層は、金属管に近い側をいい、可動金型の最外層は、金属管から最も遠い側をいい、該最外層が第２層である場合も含む。
請求項１記載のハイドロフォーム加工方法において、可動金型の第１層を後退させ、かつ、第２層から最外層までの可動金型を前進させた状態で、可動金型内に金属管を装着し、該可動金型を固定金型により型締めし、軸押しパンチを用いて金属管に管軸方向の押し力を負荷しながら、上記可動金型の第１層を固定したまま、または、前進させ、かつ、上記可動金型の第２層から最外層までを順次後退させて、枝管部を有するように拡管することを特徴とするハイドロフォーム加工方法。
ただし、可動金型の第１層は、金属管に近い側をいい、可動金型の最外層は、金属管から最も遠い側をいい、該最外層が第２層である場合も含む。
請求項１記載のハイドロフォーム加工方法において、可動金型の第１層を後退させ、かつ、第２層から最外層までの可動金型を前進させた状態で、可動金型内に金属管を装着し、該可動金型を固定金型により型締めし、軸押しパンチを用いて金属管に管軸方向の押し力を負荷しながら、上記可動金型の第１層を固定したまま、または、前進させ、かつ、上記可動金型の第２層から最外層までを所定の位置へ順次後退させ、その後、上記可動金型の第２層から最外層までの少なくとも１層以上を、所定の位置から前進または後退させて、拡径部または縮径部を伴う枝管部を有するように拡管することを特徴とするハイドロフォーム加工方法。
ただし、可動金型の第１層は、金属管に近い側をいい、可動金型の最外層は、金属管から最も遠い側をいい、該最外層が第２層である場合も含む。
管軸方向の断面で、前記枝管部がくびれを有するように拡管することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のハイドロフォーム加工方法。