JP5853745B2

JP5853745B2 - ハイドロフォーム加工による溶接用中空部材の製造方法

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Publication number: JP5853745B2
Application number: JP2012024173A
Authority: JP
Inventors: 和田　学; 学和田; 水村　正昭; 正昭水村
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2012-02-07
Filing date: 2012-02-07
Publication date: 2016-02-09
Anticipated expiration: 2032-02-07
Also published as: JP2013158818A

Description

本発明は、自動車部品などに使用される中空部材、特に溶接のための開先面を形成した中空部材を、ハイドロフォーム加工によって製造するための方法に関するものである。

ハイドロフォーム加工は、成形用素材として、鋼管やステンレス鋼管、あるいはアルミ管などの中空管状の素材（素材管）を用い、その素材管を金型のキャビティ内にセットして、素材管内に水などの加圧用液体を充填し、素材管内に高圧の液圧を加えると同時に、素材管の両端部からその軸線方向に沿って圧縮（軸押し）して、金型の内面形状に沿った形状に成形する加工法であり、複雑な形状の中空部材を一体に形成することができるため、近年、自動車などの各種部品の製造に適用されるようになっている。

素材管に対してハイドロフォーム加工を行う場合の一般的な状況について、図６を参照して説明する。

図６において、金型１は、上下に分離可能な上型３と下型５によって構成されており、その上型３と下型５との間に成形用空間（キャビティ）７が形成されている。
素材管１１は、その長さ方向の中央部分がキャビティ７内に位置するように金型１内に配置され、その素材管１１の両端（管端部１３Ａ、１３Ｂ）が金型１の素材管端部支持部位１Ａ、１Ｂに支持されている。またその素材管１１の管端部１３Ａ、１３Ｂは、管内の空間を密閉するための管端封止部材１５Ａ、１５Ｂによってシールされている。これらの管端封止部材１５Ａ、１５Ｂは、単に素材管１１を密閉するばかりでなく、素材管１１をその軸線方向に沿って圧縮する（軸押しする）ための軸押し部材を兼ねており、その少なくとも一方は、図示しない油圧シリンダなどの軸押し駆動装置に連結されている。またこれらの管端封止部材１５Ａ、１５Ｂのうち、一方の管端封止部材１５Ａには、素材管１１内に加圧用液体、例えば水を導入して加圧するための導入路１７が形成されており、他方の管端封止部材１５Ｂには、素材管１１内の空気を排除するための排出路１９が、必要に応じて形成されている。

ハイドロフォーム加工を行うにあたっては、上型３と下型５とを離隔させた状態（金型開放状態）で素材管１１を上型３と下型５との間に配置して、管端部１３Ａ、１３Ｂを素材管端部支持部位１Ａ、１Ｂに支持させ、上型３と下型５を閉じて型締めした後、シール部材１５Ａ、１５Ｂを素材管１１の管端部１３Ａ、１３Ｂへ駆動して、その管端部１３Ａ、１３Ｂをシールし、素材管１１の一端側の導入路１７から素材管１１内に加圧用液体を導入し（矢印Ａ）、その加圧用液体により素材管１１内の空気を排出路１９から追い出し（矢印Ｂ）ながら、素材管１１内を加圧用液体で満たし、引き続き排出路１９を閉じて、加圧用液体により素材管１１内を高圧に加圧し、同時に軸押し部材を兼ねた管端封止部材１５Ａ、１５Ｂによって、素材管１１にその軸線方向に沿った荷重（矢印Ｃ、Ｅ）を加えて圧縮する。これによって素材管１１が塑性変形して、キャビティ７の内面に沿った形状に成形される。
なお、排出路１９を設けない場合は、素材管１１とシール部材１５Ａ、１５Ｂに間隙を持たせた状態で加圧用液体を導入し、この間隙から空気を十分に追い出した後、シール部材１５Ａ、１５Ｂを管軸方向に移動して間隙を閉じる。

ここで、管端封止部材１５Ａ、１５Ｂは、液圧印加・軸押し時には、加圧用液体が漏洩しないように、確実に素材管１１の両端を密閉しておく必要がある。すなわち、管端封止部材１５Ａ、１５Ｂによるシールが不充分で、管端封止部材１５Ａ、１５Ｂの周囲と素材管１１の管端部１３Ａ、１３Ｂとの間から加圧用液体が漏洩した場合、素材管１１の内側に高圧の液圧が充分に作用せず、そのため素材が塑性変形に至らず、その結果、金型内面に沿った形状に成形できずに、成形不良が発生してしまう。

従来一般のハイドロフォーム加工における素材管両端のシール方法としては、いくつかの方法が採用されており、その代表的な三つの例を、素材管１１の一端側の管端部１３Ａ及びそれをシールするための一方の管端封止部材１５Ａについて、図７〜図９にそれぞれ示す。

図７に示す例では、管端封止部材１５Ａは、大径の円柱状をなす基体部２０の軸方向の一端側の面から、同一軸線上において突出する小径の円柱状の挿入部２２を一体に形成した構成とされている。そして、挿入部２０Ｂの外周面と素材管１１の管端部１３Ａの内周面との間にゴムなどからなるＯリング２４を介在させた状態で、小径の挿入部２２を管端部１３Ａにその開口端側から挿入し、Ｏリング２４によって、突出部２２の外周面と管端部１３Ａの内周面との間をシールすることとしている（例えば特許文献１の第５図、特許文献２の図９、特許文献３の図１３（ｄ）など参照）。

このようなＯリングによるシール方法は、簡単かつ安価ではあるが、シール効果が必ずしも充分ではなく、特に複雑な形状に成形するために高圧で加圧用液体を加圧する場合には、加圧用液体の漏洩が生じてしまうおそれがあった。また高圧で使用すれば、Ｏリング２４の耐久性に問題が生じ、頻繁にＯリングを交換しなければならなくなる、という問題もあった。

一方、図８に示す例においては、管端封止部材１５Ａは、前記と同様な大径の基体部２０と小径の挿入部２２との境界の段差部２６に、階段状をなす中間径の階段状突起部２８を形成した構成としている。そしてその管端封止部材１５Ａの挿入部２２を素材管１１の管端部１３Ａに挿入するに当たって、管端封止部材１５Ａを加圧して、階段状突起部２８を、管端部１３Ａの端面に押し当てて塑性変形させ、これにより階段状突起部２８を素材に密着させて、シールするものである（例えば特許文献２の図１０の（ｃ）、特許文献３の図１３（ｃ）参照）。

また図９に示す例においては、管端封止部材１５Ａは、前記同様な大径の基体部２０と小径の挿入部２２との境界の段差面２６に、環状突起部３０を形成した構成としている。そして管端封止部材１５Ａの挿入部２２を素材管１１の管端部１３Ａに挿入するに当たって、環状突起部３０を、管端封止部材１５Ａに与える加圧力によって素材管１１の端面に押し当てて食い込ませ、シールするものである（例えば特許文献１の第１図もしくは第４図、特許文献３の図１３（ｂ）など）。

これらの図８に示す方法や、図９に示す方法では、図７に示すようなＯリング２４を使用する場合と比較すれば、より確実に管端部をシールすることができ、またＯリング交換の手間も不要となる。しかしながら、図８に示す例の場合、シール時に階段状突起部２８によって素材管１１の端面を塑性変形させるところから、成形後の製品（成形品）の端面に変形部分がそのまま残り、外観品質に劣ってしまう問題がある。そのため通常は、変形した端面付近の部分を切断除去せざるを得ず、その場合には材料歩留まりが低くなってしまう問題が生じる。また図９に示した例の場合も、成形品の端面に、環状突起部３０が食い込んだ凹部が残り、この場合も、外観の点から、成形後に成形品の端面付近を切断、除去せざるを得ないことが多く、やはり材料歩留まりの点で問題があった。

なお、図８に示す方法では、管端封止部材１５Ａの挿入部２２と金型１の内面との間に挟まれた素材管端部１３Ａの端面を確実に変形させて、確実にシールするためには、管端部１３Ａの外周面が金型１の内面に密着すると同時に、管端部１３Ａの内周面が管端封止部材１５Ａの挿入部２２の外周面に密着していることが必要とされる。また図９の例の場合も、管端部１３Ａの端面に環状突起部３０を確実に食い込ませるためには、管端部１３Ａの外周面が金型１の内面に密着すると同時に、管端部１３Ａの内周面が管端封止部材１５Ａの挿入部２２の外周面に密着していることが必要とされる。

ところで、自動車部品などに使用される中空部材は、その管端部を他の部材にアーク溶接などにより溶接して使用することが多い。その場合、溶接継ぎ手となる管端部の端面に、傾斜面（傾斜状開先面）を形成し、溶接時において、相手材との間でＶ形開先あるいはレ形開先などの開先が形成されるように構成することが多い。
そして前述のようにハイドロフォーム加工によって所定の形状に成形された中空部材の場合、ハイドロフォーム加工により成形した後、改めて管端部に切削加工などの機械加工を施して、傾斜状開先面を形成するのが一般的である。しかしながらこのような方法では、ハイドロフォーム加工による成形と、傾斜状開先面の形成とを別工程で行なうため、工程数が多くならざるを得ず、高コストを要するとともに、生産性も低くなるという問題がある。

特開平２−２２９６２６号公報特開２００６−２５５７２６号公報特開２００４−２０２５７１号公報

本発明は、前記事情を背景としてなされたもので、ハイドロフォーム加工を適用して溶接用中空部材を製造するに当たり、素材管の端部をシールするに際し、高圧を加えて複雑な形状に加工する場合などにおいても、加圧用液体の漏洩が生じないように確実にシールすることができ、しかも成形品の外観不良を招くおそれが少ないばかりでなく、素材管端部のシールと同時に溶接用の傾斜状開先面を形成するようにして、ハイドロフォーム加工による成形後に、改めて開先部形成のための加工（開先加工）を行なうことを不要とし、これにより溶接用中空部材の製造コストの低減および生産性の向上を図り得るようにした、ハイドロフォーム加工による溶接用中空部材の製造方法を提供することを課題としている。

本発明者は、上述の課題を解決するため、種々実験・検討を重ねた結果、管端封止部材における挿入部（素材管の管端部に挿入される部分）の外周面と素材管の管端部内周面との間に、積極的にクリアランスを持たせておくと同時に、管端封止部材における素材管端部の端面に当接する個所に傾斜面を形成しておけば、管端封止部材の挿入部を素材管の管端部に挿入して軸線方向に加圧することによって、管端部をその内面側（クリアランスの側）に塑性変形させて、管端封止部材の突出部の外周面に密着させ、確実にシールすることが可能となるばかりでなく、素材管の管端部端面に傾斜状開先面を形成し得ることを見い出して、本発明をなすに至った。

したがって本発明の要旨とするところは、下記の通りである。
すなわち、本発明は、
中空管状をなす素材管の両端部を、軸押し部材を兼ねる管端封止部材によりシールし、その素材管を金型内に配置して、素材管の内側空間に液圧を加えるとともに、素材管の両端部からその軸線に沿った方向に加圧して、素材管を金型のキャビティ内面に沿った形状に成形するハイドロフォーム加工を適用して、中空部材を製造する方法において、
前記管端封止部材として、外径が素材管の外径に等しい基体部と、その基体部から突出しかつ外径が素材管の管端部の内径より小さい挿入部であって、しかもその挿入部の外周面と素材管の管端部の内周面との間のクリアランスＳおよび素材管の管端部厚みＴが
０＜Ｓ≦０．２×Ｔ
の関係を充たす挿入部と、前記基体部の外周面と挿入部の外周面との間の段差部分から軸線方向に沿って突出する突出部とを有し、かつその突出部の内周側に、所定角度で傾斜する傾斜面が形成された封止部材を用い、
素材管内に成形のための液圧を加える以前の段階で、前記管端封止部材の挿入部を素材管の管端部内に挿入するとともに、素材管を、その管端部の外周面が金型の素材管端部支持部位の内面に接するように金型内に配置した状態で、管端封止部材に軸線方向に沿う加圧力を加えて、管端封止部材の傾斜面を含む段差部分により素材管の管端部の端面を加圧し、
これにより素材管の管端部に前記傾斜面に沿う溶接用の傾斜状開先部を形成すると同時に、管端部の内周面が内側に隆起するように塑性変形させて、その隆起部分を前記挿入部の外周面に密着させることによって管端部を封止し、
その後、素材管内に成形のための液圧を加えるとともに、素材管に軸線方向に沿った成形用加圧力を加えることを特徴とする、ハイドロフォーム加工による溶接用中空部材の製造方法、
にある。

本発明によれば、管端封止部材における挿入部（素材管の管端部に挿入される部分）の外径を素材管の管端部の内径より小さく設定しておくことによって、ハイドロフォーム加工のための管端シール時においては、管端部の外周面と素材管の管端部内周面との間に、積極的にクリアランスを与えることができる。またこのようなクリアランスを与えると同時に、管端封止部材における素材管端部の端面に当接する個所に傾斜面を形成しておくことによって、管端封止部材の挿入部を素材管の管端部に挿入して管端封止部材を軸線方向に加圧した際に、素材管の管端部の少なくとも一部を、その内面側が隆起するように塑性変形させることができ、さらにその隆起部分を、管端封止部材の突出部の外周面に密着させることによって、管端部を確実にシールすることが可能となった。また同時に、管端部材の前記家斜面によって、素材管の管端部の端面に、溶接時の開先となる傾斜状開先面を形成することが可能となった。さらにその場合、管端部は主として内面側のみに変形することから、管端部の外観不良の発生を回避して、材料歩留まりの向上を図ることが可能となり、しかもハイドロフォーム加工後に、改めて傾斜状開先面の形成のための加工を行わなくて済むため、溶接用中空部材の製造コストおよび生産性を向上させることができる。
したがって本発明によれば、自動車・建設機械など、複雑な形状を有しかつ傾斜状開先面を有する溶接用中空部材が要求される分野でその工業的意義は大きい。

本発明のハイドロフォーム加工による溶接用中空部材の製造方法の一実施形態について、素材管の管端部と管端封止部材との関係を示す図で、その（Ａ）は、管端封止部材の挿入部を素材管の管端部に挿入した段階（管端封止部材加圧前）の状態を示す模式的な断面図、（Ｂ）は、管端封止部材に加圧力を加えて素材管の管端部を変形させたシール段階を示す模式的な断面図である。図１に示される実施形態によって得られた中空部材の管端部を示す模式的な断面図である。図２に示す中空部材を溶接する際の状況を示す正面図である。本発明のハイドロフォーム加工による溶接用中空部材の製造方法の別の実施形態について、素材管の管端部と管端封止部材との関係を示す図で、その（Ａ）は、管端封止部材の挿入部を素材管の管端部に挿入した段階（管端封止部材加圧前）の状態を示す模式的な断面図、（Ｂ）は、管端封止部材に加圧力を加えて素材管の管端部を変形させたシール段階を示す模式的な断面図である。本発明のハイドロフォーム加工による溶接用中空部材の製造方法において、素材管の片端側には傾斜状開先面を形成しない場合の、その片端側における素材管の管端部と管端封止部材との関係を示す図で、その（Ａ）は、管端封止部材の挿入部を素材管の管端部に挿入した段階（管端封止部材加圧前）の状態を示す模式的な断面図、（Ｂ）は、管端封止部材に加圧力を加えて素材管の管端部を変形させたシール段階を示す模式的な断面図である。一般的なハイドロフォーム加工方法を実施している状況の一例を示す模式的な断面図である。従来のハイドロフォーム加工方法における管端シール手段の第１の例を示す模式的な断面図である。従来のハイドロフォーム加工方法における管端シール手段の第２の例を示す模式的な断面図である。従来のハイドロフォーム加工方法における管端シール手段の第３の例を示す模式的な断面図である。

次に本発明について詳細に説明する。

図１の（Ａ）、（Ｂ）には、本発明の一実施形態として、ハイドロフォーム加工における管端シールおよび開先部形成の状況を示す。なおハイドロフォーム加工における全体的な構成は、既に説明した図６に示したものと同様であり、図１の（Ａ）、（Ｂ）において、図６に示した要素と同一の要素については図６と同じ符号を付し、その詳細な説明は省略する。

素材管１１にハイドロフォーム加工を実施するにあたっては、図６に示したように、素材管１１の両端（管端部１３Ａ、１３Ｂ）に、予め、軸押し部材を兼ねた管端封止部材１５Ａ、１５Ｂを取り付けておく。管端封止部材１５Ａ、１５Ｂのうち、一方の管端封止部材１５Ａには、液圧付与のための液体を導入する導入路１７が形成されており、他方の管端封止部材１５Ｂには、排出路１９が形成されている。これらの管端封止部材１５Ａ、１５Ｂのうち、一方の管端封止部材１５Ａと、それに対応する素材管１１の管端部１３Ａの部分の状況を、図１の（Ａ）、（Ｂ）に拡大して示しており、これについて、次に詳細に説明する。

管端封止部材１５Ａは、図１の（Ａ）、（Ｂ）に示すように、外径Ｄ_１の大径の円柱状をなす基体部２０と、相対的に小径の外径Ｄ_２の円柱状をなす挿入部２２とを、炭素鋼やダイス鋼などの硬質金属によって一体に形成したものである。ここで、挿入部２２は、基体部２０の軸線Ｏと同一軸線上において、基体部２０の端面（段差面２６）から突出するように形成されている。そして段差面２６には、軸線方向に沿って突出する突出部２７が形成されている。この突出部２７は、全体として前記軸線０を中心とする環状をなすものであり、その外周面は基体部２０の外径Ｄ_１と同径とされて、基体部２０の外周面から段差なく連続する延長面となっており、また突出部２７の内周面は、軸線Ｏに直交する面に対して所定角度θで傾斜する傾斜面２７Ａとされている。

前記管端封止部材１５Ａの基体部２０は、その外径（突出部２７の外径と同じ）Ｄ_１が、金型１（上型３及び下型５）における素材管挿入部位１Ａの内径（型締め時の内径）および素材管１１の管端部１３Ａの外径Ｄ_０と実質的に同径となるように定められている。一方、挿入部２２は、その外径Ｄ_２が、素材管１１の管端部１３Ａの内径Ｄ_３よりも若干小さい径となるように定められている。したがって、管端封止部材１５Ａの挿入部２２を素材管１１の管端部１３Ａに挿入して、金型１を型締めした状態では、図１（Ａ）に示しているように、金型１の素材管端部支持部位１Ａの内面に、管端封止部材１５Ａの基体部２０の一部の外周面及び突出部２７の外周面と、素材管１１の管端部１３Ａの外周面とが密着すると同時に、管端封止部材１５Ａの挿入部２２の外周面と管端部１３Ａの内周面との間に、クリアランス３２が存在することになる。このクリアランス３２の寸法（間隔）Ｓは、Ｓ＝（Ｄ_３−Ｄ_２）／２となる。

上述のような管端封止部材１５Ａを用いて、素材管１１の管端部１３Ａ、１３Ｂを封止すると同時に溶接用の傾斜状開先面を形成し、さらにハイドロフォーム加工を実施する状況について、以下に説明する。なお以下の説明では、素材管１１の両端の管端部１３Ａ、１３Ｂのうち、主として一方の管端部１３Ａの封止および傾斜状開先面形成についてのみ説明するが、他方の管端部１３Ｂの封止も同時に行なうのが通常であり、その管端部１３Ｂの封止についての図示および説明は省略する。またここで、前記他方の管端部１３Ｂの封止時には、同時にその他方の管端部１３Ｂに傾斜状開先面を形成する場合と、その他方の管端部１３Ｂに傾斜状開先面の形成を行なわない場合とがあるが、後者のケースについては、後に改めて説明する。

予め、適宜予備加工などが施された素材管１１を、その管端部１３Ａが金型１の下型５の所定位置（素材管端部支持部位１Ａ）に位置するようにセットし、素材管１１の管端部１３Ａに、管端封止部材１５Ａの挿入部２２を挿入し、続いて上型３を降下させて型締めを行なう。あるいはまた、適宜予備加工などが施された素材管１１の管端部１３Ａに、管端封止部材１５Ａの挿入用突出部２２を挿入し、続いて素材管１１を、その管端部１３Ａが金型１の下型５上にセットし、上型３を降下させ、型締めを行なっても良い。

このように型締めした段階では、金型１における素材管端部支持部位１Ａの内面に、管端封止部材１５Ａの基体部２０の一部（段差面２６に近い側の部分）および突出部２７の外周面と、素材管１１の管端部１３Ａの外周面とが密着する。なお、管端封止部材１５Ａの挿入部２２の外周面と素材管１１の内周面との間には、寸法Ｓのクリアランス３２が保たれている。

型締め後、管端封止部材１５Ａに、その軸線方向に沿った加圧力を加え、管端封止部材１５Ａの段差部２６によって、素材管１１の管端部１３Ａを軸線方向に沿って押圧する。この加圧力によって、先ず素材管１１の管端部１３Ａの端面の外周縁に管端封止部材１５Ａの突出部傾斜面２７Ａが当接して、管端部１３Ａの端面付近の部位が斜め内側に押し込まれるとともに、管端部１３Ａの長さ方向の一部分もしくは複数の箇所において、軸線方向に圧縮変形され、肉厚が増加する。
このとき、管端部１３Ａの端面には、突出部傾斜面２７Ａにより斜め内側への力が加えられ、しかも管端部１３Ａの外周面は金型１の内面により拘束されているから、管端部１３Ａは、その内周面が内側に隆起する方向に変形する。そして、その隆起部分３４の高さが、前記クリアランス３２の寸法Ｓに達すれば、隆起部分３４が、管端封止部材１５Ａの挿入部２２の外周面に接する状態となる。さらに管端封止部材１５Ａに対する軸線方向加圧を継続すれば、管端部１３Ａの内側の隆起部分３４が挿入部２２の外周面に密着する。この隆起部分３４は、管端部１３Ａの周方向に沿って環状に連続しているから、隆起部分３４と挿入部２２の外周面との密着によって、素材管１１の管端部１３Ａが封止される。同時に、管端封止部材１５Ａの突出部傾斜面２７Ａによって押し込まれた部分の表面が、突出部傾斜面２７Ａに沿って角度θで傾斜する面、すなわち傾斜状開先面２９となる（図３参照）。

上述のような、素材管１１の一方の管端部１３Ａについての管端封止部材１５Ａによる封止および傾斜状開先面の形成と同時に、素材管１１の他方の管端部１３Ｂについての管端封止部材１５Ｂによる封止および傾斜状開先面の形成を行い、両端の管端部１３Ａ，１３Ｂの封止および傾斜状開先面形成が完了した後には、図６に示したように、素材管１１内に、加圧用液体、例えば水を、一方の管端封止部材１５Ａの導入路１７を介して導入する。なおこの段階では、他方の管端封止部材の導出路１９は開放しておき、素材管内への加圧用液体の導入に伴って、素材管１１内に存在していた空気を導出路１９から外部へ追い出すのが通常である。

素材管１１内に加圧用液体を充填した後には、導出路１９を閉止して、加圧用液体に、液圧成形のための高圧を加えるとともに、管端封止部材１５Ａ、１５Ｂに、図示しない油圧装置などによって、軸線方向に沿う加圧力を加え（軸押しし）、金型１内の素材管１１を、その外面が金型１の内面形状に沿うように塑性変形させる。

このようにして金型１内で成形した後には、常法に従って液圧付与を停止させるとともに、軸押し加圧力を解除し、金型１を開放する。またそれに前後して素材管１１内の加圧用液体を排出し、成形品を金型１から取り出して、管端封止部材１５Ａ、１５Ｂを素材管１１から取り外せば、一連のハイドロフォーム加工プロセスが終了し、管端部に傾斜状開先面２９を有する中空部材が得られる。

上述のようにしてハイドロフォーム加工によって所定の形状に成形された中空部材３８の管端部１３Ａの一例を図２に示す。図２に示すように、管端部１３Ａの端面には、その周方向に沿って連続角度θで傾斜する傾斜状開先面２９が、周方向に沿って連続して形成されている。またその中空部材３８を、同一の管端部形状、寸法を有する他の中空部材３８´と溶接する際の溶接継手部分の一例を図３に示す。なお図３では、Ｖ型の開先３６を構成して突合せ溶接する場合を示している。この場合、溶接継手部分におけるＶ型開先３６の開先角度φは、傾斜状開先面２９の傾斜角度（＝管端封止部材傾斜面の傾斜角度）θの２倍となる。

ここで、管端封止のために管端部１３Ａの端面を軸線方向に沿って加圧して、管端部１３Ａを塑性変形させたときの変形は、提灯座屈に似た形態となるが、通常の提灯座屈は、管がその軸線方向に沿った加圧によって、蛇腹状に変形することを指称している。すなわち、一般的な提灯座屈は、蛇腹状の変形によって内周面と外周面との両面側に管壁が交互に突出、陥没する変形態様となる。しかしながら、本発明の場合、管端封止部材１５Ａの突出部傾斜面２７Ａによって管端部１３Ａの端面付近が斜め内側に押圧され、しかも素材管１１の管端部１３Ａの外周面は、金型１の素材管端部支持部位１Ａの内面によって拘束されているため、通常の提灯座屈とは異なり、管端部１３Ａの外周面の変形は発生せず、もっぱら内面側へ隆起する変形のみが生じる。したがって、管端部１３Ａの外周面は平滑な状態を保ち、成形後の成形品として、管端部１３Ａの外周面の外観不良が生じるおそれは少ない。

素材管１１の管端部１３Ａ（１３Ｂ）の外径Ｄ_０は、通常は１０．０〜３０．０ｍｍ程度のことが多く、また管端部１３Ａ（１３Ｂ）の肉厚Ｔ（＝Ｄ_０／２−Ｄ_３／２）は、２．０〜１５．０ｍｍ程度とされるのが通常である。またその場合、管端封止時における管端封止部材１５Ａ（１５Ｂ）の挿入部２２の外周面と管端部１３Ａ（１３Ｂ）の内周面との間のクリアランス３２の寸法Ｓは、特に限定されるものではないが、通常は０〜０．５ｍｍ程度とすることが好ましい。したがって管端封止部材基体部２０の外径Ｄ_１および挿入部２２の外径Ｄ_２も、素材管１１の管端部の外径Ｄ_０および肉厚Ｔに応じ、適切な寸法Ｓのクリアランス３２が確保できるように定めればよい。

但し、これらの各寸法は、それぞれ独立に定めるのではなく、相互の関係の下に定めることが好ましい。
例えば、管端封止時における管端封止部材１５Ａ（１５Ｂ）における挿入部２２の外周面と素材管１１の管端部１３Ａ（１３Ｂ）の内周面との間のクリアランス３２の寸法Ｓと、素材管１１の管端部１３Ａ（１３Ｂ）の厚みＴとは、
０＜Ｓ≦０．２×Ｔ・・・・・・（１）
の条件を満たすことが好ましい。

ここで、式（１）において、クリアランスの寸法Ｓが、０．２×Ｔより大きくなれば、封止のための加圧時において、管端部の内周面の隆起部分を管端封止部材の挿入部の外周面に充分に密着させることが困難となり、そのため、シール効果が充分に得られなくなったり、あるいは、管端部が蛇腹状に変形したりして、管端部の外周面の外観不良が生じてしまうおそれがある。一方、クリアランスの寸法Ｓが、０以下では、管端部において素材管が変形せずに、封止すべき管端部以外の部分（管端部よりも金型内側の成形用キャビティ内の部分）で素材管が変形してしまい、その後の高圧の液圧付与・軸押しによる本来の成形時に、成形不良が発生してしまうおそれがある。

一方、管端封止部材１５Ａの突出部傾斜面２７Ａの傾斜角度θの具体的角度は特に限定されるものではない。この突出部傾斜面２７Ａの傾斜角度θは、成形後の中空部材における管端部１３Ａの端面の傾斜状開先面２９の角度と等しいから、要は、成形後の中空部材の管端部１１Ａを相手材と溶接する際において、その溶接継手に必要とされる開先角度に対応して定めればよい。例えば図３に示すようなＶ形開先３６を構成する場合には、開先角度φの１／２の角度となるように、傾斜角度θを定めておけばよい。またレ形開先を構成する場合には、必要な開先角度と同じ角度に前記傾斜角度θを定めておけばよい。

以上の実施形態においては、図１（Ａ）、（Ｂ）に示しているように、管端封止部材１５Ａの突出部２７は、段差部分２６の前面の一部（外周端側の部分）から突出する形状とし、その段差部分２６の内周端側の部分に、軸線方向に対し直交する垂直面２６Ａを残している。これは、図２に示しているように、溶接時における開先に、相手材の表面に対して平行に対向する面、すなわちルート面３５が存在するように、傾斜状開先面２９を形成するためである。しかしながら、溶接の条件などによっては、ルート面３５を持たない開先形状とすることが望まれる場合もある。そこで本発明の方法の場合も、ルート面３５を持たない開先形状を構成し得るようにしてもよい。その場合の例を、図４（Ａ）、（Ｂ）に示す。なお図４（Ａ）、（Ｂ）において、図１（Ａ）、（Ｂ）に示される要素と同一の要素については、図１（Ａ）、（Ｂ）と同一の符号を付し、その説明は省略する。
図４（Ａ）、（Ｂ）において、管端封止部材１５Ａには、段差部分２６の前面の全体が傾斜面２７Ａとなるように突出部２７が形成されている。このような管端封止部材１５Ａを用いた場合においても、図１（Ａ）、（Ｂ）に示した実施形態と同様に、管端部１３Ａを封止すると同時に、傾斜状開先面３６（但し図２とは異なり、ルート面３５がないもの）を形成することができる。

さらに、成形後の中空部材の用途、適用個所などによっては、その中部材の両端の管端部１３Ａ、１３Ｂのうち、一方（例えば１３Ａ）のみに傾斜状開先面２９を形成しておけば足りることもある。その場合は、一方の管端部１３Ａについては、前述のような突出部傾斜面２７Ａを有する管端封止部材１５Ａを用いて封止および開先面形成を行い、他方の管端部１３Ｂについては、突出部２７および傾斜面２７Ａを持たない管端封止部材１５Ｂを用いて、封止のみを行なってもよい。
その場合における、他方の管端部１３Ｂについての管端封止部材１５Ｂと、それによる封止状況の例を、図５の（Ａ）、（Ｂ）に示す。なお図５（Ａ）、（Ｂ）において、図１（Ａ）、（Ｂ）に示される要素と同一の要素については、図１（Ａ）、（Ｂ）と同一の符号を付し、その説明は省略する。

図５（Ａ）、（Ｂ）において、管端封止部材１５Ｂは、基体部２０と挿入部２２との間の段差部分２６は、軸線に対して直交する面（垂直段差面）３７によって構成されており、前記各実施形態で示した突出部は形成されていない。但し、管端封止部材１５Ｂの基体部２０の外径Ｄ_１が、金型１（上型３及び下型５）における素材管挿入部位１Ａの内径（型締め時の内径）および素材管１１の管端部１３Ｂの外径Ｄ_０と実質的に同径となるように定められている点、また挿入部２２の外径Ｄ_２が、素材管１１の管端部１３Ｂの内径Ｄ_３よりも若干小さい径となるように定められている点は、図１（Ａ）、（Ｂ）に示した実施形態と同様であり、したがって管端封止部材１５Ａの挿入部２２を素材管１１の管端部１３Ｂに挿入して、金型１を型締めした状態では、金型１の素材管端部支持部位１Ａの内面に、管端封止部材１５Ｂの基体部２０の一部の外周面と、素材管１１の管端部１３Ｂの外周面とが密着すると同時に、管端封止部材１５Ｂの挿入部２２の外周面と管端部１３Ｂの内周面との間に、クリアランス３２が存在することになる。このクリアランス３２の寸法（間隔）Ｓは、Ｓ＝（Ｄ_３−Ｄ_２）／２となる。

このような管端封止部材１５Ｂを用いた側の管端部１３Ｂの封止状況は、次の通りである。
すなわち、既に述べたように、液圧付与および軸押し以前の段階で、素材管１１を金型にセットして型締めした後、管端封止部材１５Ｂの側から軸線方向に沿った加圧力が加えられれば、管端封止部材１５Ｂの垂直段差面３７によって、素材管１１の端面が軸線方向に沿って押圧される。この加圧力によって、素材管１１の管端部１３Ｂは、長さ方向の一部分もしくは数箇所において、肉厚が増加する方向に圧縮変形する。このとき、管端部１３Ｂの外周面は、図５の（Ｂ）に示しているように、金型１における素材管端部支持部位１Ｂの内面により拘束されているから、管端部１３Ｂの変形は、その内周面が内側に隆起する方向に生じる。そして、その隆起部分３４の高さが、前記クリアランス３２の寸法Ｓに達すれば、隆起部分３４が、管端封止部材１５Ｂの挿入部２２の外周面に接する状態となる。さらに管端封止部材１５Ｂに対する軸線方向加圧を継続すれば、管端部１３Ｂの内側の隆起部分３４が挿入部２２の外周面に密着する。この隆起部分３４は、管端部１３Ｂの周方向に沿って環状に連続しているから、隆起部分３４と挿入用突出部２２の外周面との密着によって、素材管１１の管端部１３Ｂが封止される。

このように、突出部２７および傾斜面２７Ａを持たない管端封止部材１５Ｂを用いて素材管１１の管端部１３Ｂを封止する場合も、素材管１１の管端部１３Ｂの外周面は、金型１の素材管端部支持部位１Ｂの内面によって拘束されているため、通常の提灯座屈とは異なり、管端部１３Ｂの外周面の変形はほとんど発生せず、もっぱら内面側へ隆起する変形のみが生じる。したがって、管端部１３Ｂの外周面は平滑な状態を保ち、成形後の成形品として、管端部１３Ｂの外周面の外観不良が生じるおそれは少ない。

なお、以上の各実施形態では、素材管を金型にセットし、型締めしてから管端部の封止および傾斜状開先面の形成を行い、その後、型締め状態を維持したまま、加圧用液体の充填、さらに加圧用液体に対する高圧付与・軸押しを行なうものとしている。しかしながら、場合によっては、素材管を金型にセットして型締めし、管端部の封止および傾斜状開先面の形成を行なった後、一旦型締めを解除して、素材管を金型から取り出し、素材管に対する予備加工などを行ってから、改めて素材管を金型にセットし、再び型締めを行なってから、加圧用液体の充填、さらに加圧用液体に対する高圧付与・軸押しを行なっても良い。さらに、管端部の封止のための金型として、成形用の金型とは別の封止専用の金型を用意しておき、その封止専用の金型に素材管をセットして型締めし、管端部の封止および傾斜状開先面の形成を行なった後、成形用の金型に素材管をセットし、型締め後、加圧用液体の充填、さらに加圧用液体に対する高圧付与・軸押しを行なっても良い。

以下に本発明の実施例を示す。なお以下の実施例は、本発明による作用、効果を確認するためのものであり、実施例に記載した条件が、本発明の技術的範囲を限定するものでないことはもちろんである。

ハイドロフォーム加工装置としては、その全体構成が図２に示すような装置を用いた。素材管としては、管端部の外径Ｄ_０が１９０．７ｍｍ、肉厚Ｔが７．０ｍｍ、内径Ｄ_３が１７６．７ｍｍの、機械構造用炭素鋼管：ＳＴＫＭ１３Ｂからなる中空管を用いた。一方管端封止部材としては、図１に示すような形状で、基体部の外径Ｄ_１が１９０．７ｍｍ、挿入部の外径Ｄ_２が１７５．７ｍｍのダイス鋼：ＳＫＤ６１製のものを用いた。したがって、クリアランスの寸法Ｓは０．５ｍｍとなる。なお突出部の突出量は１０．０ｍｍ、傾斜面の傾斜角度θは４５°とした。
このような管端封止部材の挿入部を素材管の両端に挿入して、金型にセットし、型締めを行なってから、管端封止部材に軸線方向に、５００ｋＮの加圧力を加えて、管端部を、その外周面を拘束しながら軸線方向に沿って押圧した。これによって管端部の端面を斜め内側に押圧して傾斜状開先面を形成すると同時に、管端部の内周側が隆起するように塑性変形させ、その隆起部分を管端封止部材の挿入部の外周面に密着させた。
以上のようにして両端を封止した素材管内に、加圧用液体として水を充填し、その後、加圧力１５００ｋＮにて軸押ししながら、素材管内の加圧用液体に５０ＭＰaの圧力を加え、ハイドロフォーム加工を行った。
この過程では、管端封止部材の個所からの加圧用液体の漏洩はなく、確実に封止されていることが確認された。また、成形後の成形品を調べたところ、管端部の端面に、角度θで傾斜する傾斜状開先面が周方向に均一に形成されており、また全体として金型のキャビティ内面に沿った形状に精確に加工されていることが確認された。また上記の傾斜状開先面を含む管端部の外面には、特に凹凸や皺の発生もなく、良好な外観品質を有していることが確認された。

以上、本発明の好ましい実施形態、実施例を説明したが、本発明はこれらの実施形態、実施例に限定されないことはもちろんであり、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、構成の付加、省略、置換、およびその他の変更が可能である。

本発明の中空部材製造方法は、自動車などに使用される中空部品、特にアーク溶接などの溶接が施されて使用される中空部品の製造方法として、高圧の液圧を加えて複雑な形状を有する部品を製造する場合などに適している。

１金型
１Ａ、１Ｂ素材管端部支持部位
１１素材管
１３Ａ、１３Ｂ管端部
１５Ａ、１５Ｂ管端封止部材
２０基体部
２２挿入部
２６段差部分
２７突出部
２７Ａ傾斜面
２９傾斜状開先面
３２クリアランス
３４隆起部分

Claims

中空管状をなす素材管の両端部を、軸押し部材を兼ねる管端封止部材によりシールし、その素材管を金型内に配置して、素材管の内側空間に液圧を加えるとともに、素材管の両端部からその軸線に沿った方向に加圧して、素材管を金型のキャビティ内面に沿った形状に成形するハイドロフォーム加工を適用して、中空部材を製造する方法において、
前記管端封止部材として、外径が素材管の外径に等しい基体部と、その基体部から突出しかつ外径が素材管の管端部の内径より小さい挿入部であって、しかもその挿入部の外周面と素材管の管端部の内周面との間のクリアランスＳおよび素材管の管端部厚みＴが
０＜Ｓ≦０．２×Ｔ
の関係を充たす挿入部と、前記基体部の外周面と挿入部の外周面との間の段差部分から軸線方向に沿って突出する突出部とを有し、かつその突出部の内周側に、所定角度で傾斜する傾斜面が形成された封止部材を用い、
素材管内に成形のための液圧を加える以前の段階で、前記管端封止部材の挿入部を素材管の管端部内に挿入するとともに、素材管を、その管端部の外周面が金型の素材管端部支持部位の内面に接するように金型内に配置した状態で、管端封止部材に軸線方向に沿う加圧力を加えて、管端封止部材の傾斜面を含む段差部分により素材管の管端部の端面を加圧し、
これにより素材管の管端部に前記傾斜面に沿う溶接用の傾斜状開先部を形成すると同時に、管端部の内周面が内側に隆起するように塑性変形させて、その隆起部分を前記挿入部の外周面に密着させることによって管端部を封止し、
その後、素材管内に成形のための液圧を加えるとともに、素材管に軸線方向に沿った成形用加圧力を加えることを特徴とする、ハイドロフォーム加工による溶接用中空部材の製造方法。