JP5838222B2 - ハイドロフォーミング法を用いた大口径製品の製造装置及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明はハイドロフォーミング法を用いた大口径製品の製造装置及びその製造方法に係り、より詳しくは大口径製品の製造の際に製品の軸方向にかかる密閉力を最小化することができる製造装置及びその製造方法に関する。

従来、自動車のホイールリム（Wheel Rim）のような大口径製品はロールフォーミング（Roll Forming）法によって主に製造されて来た。この工法を簡単に説明すれば、造管されたチューブに多段階のロールフォーミング工程によってタイヤが接触する領域までフランジを拡張成形し、拡張されたチューブをその内外側に位置するロールでさらに２〜３段階の成形を行った後、拡管装置（expender）によって寸法補正を行うことで自動車ホイールリムを最終に完成する。

このように、ロールフォーミング法によって自動車ホイールリムを製造すれば、造管されたチューブ形鋼材が多段階のロールフォーミング工程を経ることになるので、相対的に生産性が低かっただけでなく、常温で行われるロールフォーミング過程で局所的にひどい加工硬化が起こるので、ロールフォーミング過程が完了した後には必ずアニーリングのような熱処理をさらに実施しなければならなかった。
このようなロールフォーミング製造装置の問題点を改善するために、ハイドロフォーミング（Hydroforming）法を用いて自動車ホイールリムのような大口径製品を製造する新しい製造方法が研究されている。

自動車用トーションビームなどを製造するのに使われる通常のハイドロフォーミング法は大別して造管されたチューブ形鋼材を最終製品の形状に曲げ加工するベンディング（bending）工程、曲げ加工されたチューブ形鋼材をプレス作業でハイドロフォーミング金型に装着させることができる形態に予備成形するプレフォーミング（preforming）工程、及びチューブ形鋼材の内部に流体を供給して内面を加圧・拡管させることで最終製品に成形するハイドロフォーミング（Hydroforming）工程でなる。

自動車型ホイールリムのように長さが短くて形状が単純な大口径製品の場合には、基本段階であるハイドロフォーミング工程だけでも成形が可能なので、多段階を経なければならないロールフォーミング製造装置より高い生産性を得ることができる。また、流体はチューブ形鋼材の内面全体にいつも静水圧（Hydrostatic pressure）を作用させて均一な加工が可能であるため、局所的な加工硬化が起こらないので、別途の熱処理過程が不要である。

このように、ハイドロフォーミング法を用いて大口径製品を製造すれば、既存のロールフォーミング法に比べ、さまざまな利点を得ることができる。しかし、ハイドロフォーミング製造装置を使って大口径製品を製造するためには必ず解決しなければならない問題点がある。これは、大口径のチューブ形鋼材を成形するとき、鋼材の軸方向にかかる密閉力が非常に大きいため、これに耐えることができる軸方向押込シリンダーや金型を製作することが易しくないことである。

本発明は前述したような問題点を解決するために開発されたもので、ハイドロフォーミング装置の両側で前進するアキシャルパンチを相互に結合できるように構成することで、大口径製品を製造するとき、軸方向にかかる密閉力を最小化することができる製造装置及びその製造方法を提供することに主目的がある。

前述した目的を達成するための本発明によるハイドロフォーミング製造装置の技術構成は、内部に大口径を持つチューブ形鋼材が装着される上・下部金型；前記チューブ形鋼材の両側から前進するように設置され、前面が相互に挿入可能な形状になった第１アキシャルパンチ及び第２アキシャルパンチと、前記第１アキシャルパンチ及び第２アキシャルパンチを前進させて相互に挿入させることで、両アキシャルパンチで取り囲まれた密閉空間と前記チューブ形鋼材の内面と両アキシャルパンチで取り囲まれた加圧空間を形成する第１押込シリンダー及び第２押込シリンダーと、前記第１アキシャルパンチ及び第２アキシャルパンチの中で少なくとも一方に形成された油圧通路を通じて前記加圧空間に流体を供給して前記チューブ形鋼材の内面を加圧することで大口径製品を成形するハイドロフォーミング制御部と、を含んでなる。

一方、本発明による本発明による製造方法の技術構成は、大口径を持つチューブ形鋼材をハイドロフォーミング法の下部金型に装着させ、上部金型を下降させて全体金型を密閉するハイドロフォーミング法準備段階と、前記チューブ形鋼材の両側から第１アキシャルパンチ及び第２アキシャルパンチを前進させて相互に挿入させることで、両アキシャルパンチのみで取り囲まれた密閉空間と前記チューブ形鋼材の内面及び両アキシャルパンチで取り囲まれた加圧空間を形成するアキシャルパンチセット段階と、前記両アキシャルパンチの中で少なくとも一方によって前記加圧空間に流体を供給してチューブ形鋼材の内面を加圧することで大口径製品を成形するハイドロフォーミング段階と、を含む。

上述したように構成された本発明のハイドロフォーミング法を用いた大口径製品の製造装置及びその製造方法を使えば、１回の工程だけで完成品の製造が可能なので、工程減少による製造原価の節減だけではなく生産性の向上にも大きく寄与することができる。
また、ハイドロフォーミング製造装置の最大利点である流体の静水圧による均一加工がなされて局所的な加工硬化が起こらないので、別途の熱処理を行う必要がない。
また、ハイドロフォーミング製造装置による精密加工が可能となって、形状固定性及び真円度（重量中心）に優れた製品を製作することができる。

従来の大口径製品製造用ハイドロフォーミング製造装置を示す図である。 本発明による大口径製品製造用ハイドロフォーミング製造装置を示す図である。 図２のアキシャルパンチ部分を拡大して示す図である。 図４の（ａ）〜（ｄ）は、本発明によるハイドロフォーミング法製造方法を示す図である。 本発明によって製造された大口径製品の一例を示す図である。

前述したように、従来のハイドロフォーミング製造装置を用いて自動車ホイールリムのような大口径の製品を製造すれば、軸方向にかかる密閉力が大きく増加して正常な作動が難しくなる。その理由を図１に基づいて簡単に説明する。
ハイドロフォーミング製造装置は、大別してチューブ形鋼材３が装着される上・下部金型１、２、が上・下部金型１、２の両側から前進して前記チューブ形鋼材３を密閉させる第１及び第２アキシャルパンチ１０、２０、及び第１及び第２アキシャルパンチ１０、２０を水平に移動させる第１及び第２押込シリンダー１５、２５からなり、その作動方法は次のようである。

まず、下部金型２上にチューブ形鋼材３を載置し、上部金型１を下降させて全体金型を密閉させる。その後、第１及び第２押込シリンダー１５、２５が想・下部金型１、２の両側から第１及び第２アキシャルパンチ１０、２０を前進させてチューブ形鋼材３の両側を密閉させる。１−１’の断面で示すように、第１及び第２アキシャルパンチ１０、２０の直径（ｄ₀）はチューブ形鋼材３の直径（ｄ₀）と同一であってチューブ形鋼材３の両側を密閉させる。

チューブ形鋼材３を密閉させた後、第１及び第２アキシャルパンチ１０、２０の中で少なくとも一方に形成された油圧通路２２を通じて流体をチューブ形鋼材３の内部に供給してその内面を加圧する。流体の静水圧が作用してチューブ形鋼材３を拡管させれば、上・下部金型１、２に密着しながら自動車ホイールリムの形態に最終に成形される。この際、流体の静水圧によってチューブ形鋼材３が成形されるうちに第１及び第２アキシャルパンチ１０、２０にも高圧が作用するようになる。この高圧に耐えることができる密閉力が第１及び第２アキシャルパンチ１０、２０に加わると、流体の静水圧がチューブ形鋼材３の内面にずっと作用することができるようになる。

第１及び第２アキシャルパンチ１０、２０に作用する密閉力は流体が作用する断面積、より正確にはチューブ形鋼材３の直径の二乗に比例して増加する。なぜならば、チューブ形鋼材３の直径がｄ₀である場合、流体はこれと同一の直径を持つ第１及び第２アキシャルパンチの断面積（πd₀ ²）全体に作用するからである。よって、自動車ホイールリムのような大口径の製品を製造するとき、第１及び第２アキシャルパンチ１０、２０に作用する密閉力は製品の直径が大きくなるほど幾何級数的に増加するようになる。

しかし、現在常用化したハイドロフォーミング製造装置の第１及び第２押込シリンダー１５、２５の最大圧力は高くないため、実際に大口径製品を製造するためには、装置を改造して高圧のシリンダーを装着しなければならない。このためには、大幅的な改造作業が必要で費用も高くかかるだけでなく、最悪の場合には、装置のレイアウトが変更して金型を設置することができなくなるため、大口径製品そのものを生産することができなくなることもできる。

本発明者はこのような問題点を解決するために、シリンダーを改造するのではなく、アキシャルパンチの形状を変更する方法によって密閉力を効果的に減少させることができる方法を開発した。以下では添付図面に基づいて本発明によるハイドロフォーミング法を用いた大口径製品の製造装置及び製造方法を詳細に説明する。

図２及び図３に示すように、本発明によるハイドロフォーミング製造装置は、内部に大口径を持つチューブ形鋼材３が装着される上・下部金型１、２と、前記チューブ形鋼材３の両側から前進するように設置され、前面が相互に挿入可能な形状となった第１アキシャルパンチ３０及び第２アキシャルパンチ４０と、前記第１アキシャルパンチ３０及び第２アキシャルパンチ４０を前進させて相互に挿入させることで、両アキシャルパンチで取り囲まれた密閉空間（Ａ）と前記チューブ形鋼材の内面と両アキシャルパンチで取り囲まれた加圧空間（Ｂ）を形成する第１押込シリンダー５０及び第２押込シリンダー６０と、前記第１アキシャルパンチ３０及び第２アキシャルパンチ４０の中で少なくとも一方に形成された油圧通路４２を通じて前記加圧空間（Ｂ）に流体を供給して前記チューブ形鋼材３の内面を加圧することで大口径製品を成形するハイドロフォーミング制御部（図示せず）と、を含む。

図１及び図２を比較すると、本発明によるハイドロフォーミング製造装置は、チューブ形鋼材３が装着される上・下部金型１、２が上・下部金型１、２の両側から前進してチューブ形鋼材３を密閉させる第１アキシャルパンチ３０及び第２アキシャルパンチ４０、及び第１アキシャルパンチ３０及び第２アキシャルパンチ４０を水平に移動させる第１押込シリンダー５０及び第２押込シリンダー６０からなるという点で従来のハイドロフォーミング製造装置と同様である。

しかし、本発明によるハイドロフォーミング製造装置によれば、第１アキシャルパンチ３０及び第２アキシャルパンチ４０が前進してチューブ形鋼材３の内部に進入することができるように構成される。すなわち、図３の２−２’断面で示すように、第１アキシャルパンチ３０は、その直径（ｄ₁）がチューブ形鋼材３の直径（ｄ₀）より小さくなるように形成され、第２アキシャルパンチ４０もその直径（ｄ₂）がチューブ形鋼材３の直径（ｄ₀）より小さくなるように形成される。より詳細に説明すれば、第１アキシャルパンチ３０及び第２アキシャルパンチ４０の直径はチューブ形鋼材との摩擦による干渉が起こらないように最小の間隔を置いて加工される。

また、前記第１アキシャルパンチ３０及び第２アキシャルパンチ４０がチューブ形鋼材３の内部に相互に挿入できるように構成される。このために、それぞれのアキシャルパンチの前面には突出部と凹部が相互に対応するように加工される。その結果、第１押込シリンダー５０及び第２押込シリンダー６０によって第１アキシャルパンチ３０及び第２アキシャルパンチ４０が前進して相互に結合するとき、両アキシャルパンチで取り囲まれた密閉空間（Ａ）と前記チューブ形鋼材の内面と両アキシャルパンチで取り囲まれた加圧空間（Ｂ）を形成するようになる。このように、両アキシャルパンチは相互に結合して密閉空間（Ａ）と加圧空間（Ｂ）を形成することができるものであれば、突出部と凹部はどんな形態を持っても構わない。

前記第１アキシャルパンチ３０及び第２アキシャルパンチ４０が相互に結合して密閉空間（Ａ）と加圧空間（Ｂ）を形成すれば、ハイドロフォーミング制御部では、第１アキシャルパンチ３０及び第２アキシャルパンチ４０の中で少なくとも一方に形成された油圧通路４２を通じて前記加圧空間（Ｂ）に流体を供給して前記チューブ形鋼材３の内面を加圧するようになる。この際、密閉空間（Ａ）には流体が満たされないため、流体によって加わる静水圧は加圧空間（Ｂ）にだけ限定される。その結果、流体の静水圧が加わる断面積が大きく減少するので、第１アキシャルパンチ３０及び第２アキシャルパンチ４０に作用する密閉力も大きく減少するものである。

このように、本発明は、アキシャルパンチを相互に結合させて流体の流入空間を制限すれば、流体がアキシャルパンチと接する断面積が減少するので、流体の静水圧に対応する密閉力も減少させることができるという技術的思想に基づく。本発明者はこのような技術的思想をより具体化するために次のような構成要素をさらに適用した。

まず、前記第１アキシャルパンチ３０及び第２アキシャルパンチ４０には、前記密閉空間（Ａ）をなす部位に別途の密閉用部材７０が装着される。上述したように、本発明の技術的思想は、第１アキシャルパンチ３０及び第２アキシャルパンチ４０を相互に結合させて、チューブ形鋼材３の内部に流体が満たされない密閉空間（Ａ）を形成するものである。よって、ハイドロフォーミング過程で前記密閉空間（Ａ）に流体が流入すれば、密閉力の減少効果を得ることができなくなるので、これを防止するためには、密閉空間（Ａ）を形成する部位に別途の密閉用部材７０を装着することが好ましい。

前記密閉用部材７０は、アキシャルパンチが円筒状であることを考慮すると、Ｏリングであることが好ましいが、この外に、前記密閉空間（Ａ）に流体が流入することを遮断するためのシーリング効果があるものであれば、いずれのものを採用しても構わない。

次に、前記第１アキシャルパンチ３０及び第２アキシャルパンチ４０の中で少なくとも一方には前記密閉空間（Ａ）のエアを外部に排出するようにエアホール３２が形成されることが好ましい。ハイドロフォーミング過程で前記第１アキシャルパンチ３０及び第２アキシャルパンチ４０はずっと前進するようになるので、エアホール３２が形成されていなければ、密閉空間（Ａ）にあったエアが圧縮されて第１アキシャルパンチ３０及び第２アキシャルパンチ４０の前進を邪魔する反力として作用するようになる。密閉空間（Ａ）には流体が流入しないので、エアホール３２がアキシャルパンチの外部に連通するように形成されても構わない。

一方、前記油圧通路４２は、図３の下端部のように、第２アキシャルパンチ４０の胴体とチューブ形鋼材３の内面が接する部分４４に流体を供給するように形成できる。前述したように、アキシャルパンチの胴体とチューブ形鋼材の内面は、互いに摩擦しないように、最小の間隔を置いて設置されるので、油圧通路４２がアキシャルパンチの胴体とチューブ形鋼材３の内面が接する部位で流体を供給すれば、前記のような間隔を通じて流体が加圧空間（Ｂ）に流入することができる。しかし、流体の流入速度を高めるためには、前記油圧通路４２を図３の上端部のように加圧空間（Ｂ）に直接接する部分４６と連通するように形成することもできる。

図３に示すように、油圧通路４２が第２アキシャルパンチ４０の胴体とチューブ形鋼材３の内面が接する部位に流体を供給すれば、一部の流体は前方に流入した加圧空間（Ｂ）に流入するが、一部の流体は後方に流出して第２アキシャルパンチ４０の外部に流出することができる。このような流出を防止するために、図３の拡大部で示すように、前記第２アキシャルパンチ４０には前記チューブ形鋼材３の両側端部を密閉させることができるように段差部４８が形成されることが好ましい。

以下、図４を参照で本発明によるハイドロフォーミング法を用いた大口径製品の製造方法について詳細に説明する。

まず、大口径を持つチューブ形鋼材３をハイドロフォーミング法の下部金型２に装着させ、上部金型１を下降させることで全体金型を密閉させる。そして、前面が相互に結合できるように形成された第１アキシャルパンチ３０及び第２アキシャルパンチ４０を前記チューブ形鋼材３の両側に位置させる［図４の（ａ）］。
ついで、チューブ形鋼材３の両側から第１アキシャルパンチ３０及び第２アキシャルパンチ４０を前進させて相互に挿入されるようにすることで、第１及び第２アキシャルパンチ３０、４０のみで取り囲まれた密閉空間（Ａ）と前記チューブ形鋼材３の内面と第１及び第２アキシャルパンチ３０、４０で取り囲まれた加圧空間（Ｂ）を形成するように、アキシャルパンチをセットする［図４の（ｂ）］。

この際、前記第１アキシャルパンチ３０及び第２アキシャルパンチ４０の中で少なくとも一方にはエアホール３２が形成され、第１及び第２アキシャルパンチ３０、４０が前進することによって前記密閉空間（Ａ）のエアを外部に排出させることが好ましい。これは、密閉空間（Ａ）のエアが圧縮されて第１及び第２アキシャルパンチ３０、４０の作動を邪魔しないようにする。

その後、前記第１アキシャルパンチ３０及び第２アキシャルパンチ４０の中で少なくとも一方によって前記加圧空間（Ｂ）に流体を供給することで、チューブ形鋼材３の内面を加圧する［図４の（ｃ）］。図４には油圧通路４２を通じて第２アキシャルパンチ４０の胴体とチューブ形鋼材３の内面が接する部位に流体を供給して前方の加圧空間（Ｂ）に流入する形態が例示されている。

この場合、一部の流体は後方に流出して第２アキシャルパンチ４０の外部に流出することができるから、第１アキシャルパンチ３０及び第２アキシャルパンチ４０には段差部４８が形成されて前記チューブ形鋼材３の両側端部を密閉させることができるようにすることが好ましい。

一方、流入速度を高めるために、前記油圧通路４２を加圧空間（Ｂ）に直接接する部分と連通するように形成することもできるのは図３を参照して説明したようである。
最後に、流体の静水圧によってチューブ形鋼材３が拡管され始めれば、拡管された空間を補償して流体がずっと加圧することができるように、第１アキシャルパンチ３０及び第２アキシャルパンチ４０が少しずつ前進する［図４の（ｄ）］。その結果、ハイドロフォーミング法による大口径の製品が最終に成形されるものである。

図５は本発明による製造方法によって製造された自動車ホイールリム８０の成形解釈結果を示す。このように、本発明によれば、流体の静水圧がチューブ形鋼材の全体にかかって均一に作用するというハイドロフォーミング法の特性上、一般のロールフォーミング法より精密な加工が可能となって形状固定性と真円度（重量中心）に優れた製品を製作することができる。

本発明は特定の実施例に基づいて図示しながら説明したが、以下の特許請求範囲によって決められる本発明の技術思想を逸脱しない限度内で、本発明が多様に改良及び変化可能であるのは当業者に明らかであろう。

１ 上部金型
２ 下部金型
３ チューブ形鋼材
３０ 第１アキシャルパンチ
４０ 第２アキシャルパンチ
５０ 第１押込シリンダー
６０ 第２押込シリンダー
７０ 密閉用部材
８０ 自動車ホイールリム

Claims (7)

1. 内部に大口径を持つチューブ形鋼材の外周面を取り囲むように形成された上・下部金型；前記チューブ形鋼材の両側から前進して前記チューブ形鋼材の内部を密閉させるように形成された第１アキシャルパンチ及び第２アキシャルパンチ；前記第１アキシャルパンチ及び第２アキシャルパンチを水平に移動させる第１押込シリンダー及び第２押込シリンダー；前記第１アキシャルパンチ及び第２アキシャルパンチの中で少なくとも一方に形成された油圧通路；及び前記油圧通路を通じて流体を前記チューブ形鋼材の内部に供給して前記チューブ形鋼材の内面を加圧するハイドロフォーミング制御部；を含む大口径製品の製造装置において、
   前記第１アキシャルパンチ及び第２アキシャルパンチは前記チューブ形鋼材の内部を密閉させるとともにその前面部が前記チューブ形鋼材の内部に挿入して互いに結合するように形成され、前記第１アキシャルパンチ及び第２アキシャルパンチの前面部には、結合の際に互いに挿入させるように、各各環状の突出部と環状の凹部が形成され、前記第１押込シリンダー及び第２押込シリンダーによって前記第１アキシャルパンチ及び第２アキシャルパンチが前進して前記チューブ形鋼材の内部に結合すると、前記第１アキシャルパンチ及び第２アキシャルパンチで取り囲まれた密閉空間と前記チューブ形鋼材の内面及び前記第１アキシャルパンチ及び第２アキシャルパンチで取り囲まれた加圧空間が形成され、
   前記第１のアキシャルパンチ及び第２のアキシャルパンチの胴体と、前記チューブ形鋼材の内面との間には、互いに摩擦しないような間隔の隙間が設けられており、前記油圧通路から供給される流体が前記加圧空間にのみ供給され、前記油圧通路から供給される流体は前記チューブ形鋼材を変形させるような圧力を有し、
   前記第１アキシャルパンチ及び第２アキシャルパンチには、前記チューブ形鋼材の両側端部を密閉させることができるように、段差部が形成されたことを特徴とする、ハイドロフォーミング法を用いた大口径製品の製造装置。
2. 前記第１アキシャルパンチ及び第２アキシャルパンチには、前記密閉空間を形成する部位に別途の密閉用部材が装着されたことを特徴とする、請求項１に記載のハイドロフォーミング法を用いた大口径製品の製造装置。
3. 前記第１アキシャルパンチ及び第２アキシャルパンチの中で少なくとも一方には、前記密閉空間のエアを外部に排出するようにエアホールが形成されたことを特徴とする、請求項１に記載のハイドロフォーミング法を用いた大口径製品の製造装置。
4. 前記油圧通路は、前記加圧空間と直接連通するように形成されたことを特徴とする、請求項１に記載のハイドロフォーミング法を用いた大口径製品の製造装置。
5. 大口径を持つチューブ形鋼材をハイドロフォーミング法の下部金型に装着させ、上部金型を下降させて全体金型を密閉するハイドロフォーミング法準備段階と、
   前記チューブ形鋼材の両側から第１アキシャルパンチ及び第２アキシャルパンチを前進させて相互に挿入させることで、両アキシャルパンチのみで取り囲まれた密閉空間と前記チューブ形鋼材の内面及び両アキシャルパンチで取り囲まれた加圧空間を形成するアキシャルパンチセット段階と、
   前記両アキシャルパンチの中で少なくとも一方によって前記加圧空間にのみ、前記チューブ形鋼材を変形させるような圧力を有する流体を供給してチューブ形鋼材の内面を加圧することで大口径製品を成形するハイドロフォーミング段階と、
   を含み、
   前記アキシャルパンチセット段階において、前記第１のアキシャルパンチ及び第２のアキシャルパンチの胴体と、前記チューブ形鋼材の内面との間には、互いに摩擦しないような間隔の隙間が設けられており、
   前記第１アキシャルパンチ及び第２アキシャルパンチの前面部には、結合の際に互いに挿入させるように、各各環状の突出部と環状の凹部が形成され、
   前記第１アキシャルパンチ及び第２アキシャルパンチには、前記チューブ形鋼材の両側端部を密閉させることができるように、段差部が形成されている、ことを特徴とする、ハイドロフォーミング法を用いた大口径製品の製造方法。
6. 前記アキシャルパンチセット段階は、前記第１アキシャルパンチ及び第２アキシャルパンチが前進することによって前記密閉空間のエアを外部に排出することを特徴とする、請求項５に記載のハイドロフォーミング法を用いた大口径製品の製造方法。
7. 前記ハイドロフォーミング段階は、前記第１アキシャルパンチ及び第２アキシャルパンチが前記チューブ形鋼材の両側端部を密閉させることを特徴とする、請求項５に記載のハイドロフォーミング法を用いた大口径製品の製造方法。

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