JP6098368B2 - 液圧成形方法及び金型 - Google Patents

Description

本発明は、液圧成形方法及び金型に関し、特に、自動車部品などに使用される中空部材を、ハイドロフォーム加工で代表される液圧成形法によって所定の形状に成形するための方法及び当該方法に好適な金型に関するものである。

液圧成形法は、鋼やステンレス鋼、アルミなどからなる中空な素材を金型の内側の成形用空間（キャビティ）にセットし、素材内に液圧を加えて、素材を金型の内面形状に沿った形状に塑性変形させる加工法である。
このような液圧成形法のうち、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にセットし、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する（軸押しする）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。

ところで、ハイドロフォーム加工により得るべき成形製品の形状によっては、上方に突出する凸状空間部が形成されたキャビティを有する金型を使用し、かつ素材管としてキャビティ内の凸状空間部に対応して、上方に突出する突出部を有するものを用いることがある。この場合、素材管を金型に挿入する以前の段階で、素材の直管に予備加工を施して、前記突出部を有する素材管に加工しておくことが多い。また場合によっては、素材の直管をそのまま上型と下型との間に挿入して、型締めを行い、その型締め時の圧力により直管を成形用空間（キャビティ）の形状に沿うように変形させて、突出部を有する形状とし、その後に液圧付与と軸押しを行なうこともある。

このように上方に突出する突出部を有する素材管を使用してハイドロフォーム加工を行う場合の状況について、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との間にキャビティ７が形成されている。キャビティ７の上部、すなわち上型３の内側上部には、上方に突出する凸状空間部９が形成されている。成形素材としては、通常は、前述のように直管状の中空管に予め予備加工を施して、キャビティ７の形状にある程度対応する形状に加工した管状の素材、すなわち突出部１１Ａを有する形状とした素材管１１を用いる。あるいは直管状の素材を用意しておき、前述のように型締め時の圧力によって、キャビティ７の形状にある程度対応する形状、すなわち突出部１１Ａを有する形状としてもよい。

素材管１１の軸方向両端部１３Ａ、１３Ｂは、素材管１１内の空間を密閉するためのシール部材１５Ａ、１５Ｂによってシールされている。これらのシール部材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。
またこれらのシール部材１５Ａ、１５Ｂのうち、一方のシール部材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、他方のシール部材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、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の軸方向両端部１３Ａ、１３Ｂへ駆動してシールし、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（黒矢印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（黒矢印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、図示しない増圧装置を用いて、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シール部材によって、素材管１１にその軸線方向に沿った荷重（白矢印Ｃ，Ｄ）を加えて軸押しする。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。

ここで、図６に示すような、金型１の形状が上型３と下型５とで異なるハイドロフォーム加工においては、軸線方向に沿った軸押しの荷重（軸押し荷重）による素材管１１の変形量が異なる。つまり、図６に示すようなキャビティ７形状の場合は、キャビティ７の上部と下部の形状が異なるため、突出部１１Ａがキャビティ７の上部内面に沿った形状に成形されている最中に下型５の内面に沿った素材管１１の成形は完了してしまう。そのため、先に成形加工が完了した下型５に対応する素材管１１には張力が生じてしまい、それに伴って、軸押し荷重が急激に増大してしまう問題があった。
また、下型５の内面に沿った素材管１１の成形は先に完了しているものの、突出部１１Ａの成形のためにさらに軸押し荷重が加えられるため、下型５に対応する素材管１１においてはしわが発生してしまい、成形製品の形状不良を招くおそれがあった。
さらに、このような周方向における変形量の差異によって、シール面にかかる軸押し荷重、すなわち素材管１１の管端部の面圧が不均一となり、シール部材１５Ａ、１５Ｂによるシールが不安定となることで素材管１１内に充填されている加圧用液体が管外に漏れだすおそれがあった。

これらの問題は、図６に示したような突出部を有する素材管に対してハイドロフォーム加工する場合だけに限らない。
例えば、キャビティの上部と下部において同様の凸状空間部が形成されている、すなわち、径方向において対照的な凸状空間部がそれぞれ形成されている場合においても、軸押し荷重の急激に増大や、しわによる成形製品の形状不良、または管端部における面圧不均一が招く加圧用液体の漏れ等の問題が生じた。
キャビティの上部と下部において径方向において対照的な凸状空間部がそれぞれ形成されている場合は、図６に示した例とは異なり、素材管の変形量は周方向でほぼ同一である。しかし、素材管の成形が完了する間近では素材管の形状を所望のものへと限りなく近づけることができているので、それ以降の成形量の大きな加工は必要ないものの、素材管１１内の空間を密閉するためにはシール性を確保すべく一定以上の軸押し荷重を加えておかなければならない。その結果、素材管に対して必要以上な荷重（過剰な荷重）が加わることとなり、軸押し荷重の急激な増大や、しわの発生を引き起こす問題があった。

また、シール部材に連結されている油圧シリンダなどの軸押し駆動装置のスペックは上限で決定されている。そのため、軸押し荷重の過度の上昇は装置自体への負荷が大きくなることを意味し、安定したハイドロフォーム加工、及び装置運転の観点からも軸押し荷重の急激な増大を抑制することが望まれていた。

しかしながら、上述してきたような問題を解決する方策についてはあまり検討されていないのが現状で、早期解決が切望されている。

そこで本発明は、このような事情を背景としてなされたもので、管端部の面圧をより均一なものとでき、さらに素材管に対する不要な軸押し荷重の付加を回避しうるようにし、これによって、軸押し荷重の急激な増大、成形製品の形状不良、及び加圧用液体の管外への漏洩を防止可能とした液圧成形方法及び金型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、用いる金型の成形領域以外の領域、すなわちキャビティの凸状空間部の長手方向外側の片側もしくは両側であって、素材管の管端付近に対応する部分に断面凹状の拡管部（凹部）を設けることで、当該拡管部を素材管のいわゆる逃げ場所として有効に作用することを見出した。

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。
［１］金型のキャビティ内に、成形用素材を収容するとともに、前記成形用素材内に加圧用液体を充填し、その成形用素材内の加圧用液体を加圧して、キャビティの内面に沿った形状に成形する液圧成形方法において、
前記金型は、前記キャビティに上方及び／または下方に向けて突出するように形成された凸状空間部と、前記凸状空間部の長手方向両端にあって液圧成形時にシール部材が装着される端部とを有しており、
前記金型の長手方向の少なくとも一方の前記端部であって、最終成形製品として不要な部分として液圧成形完了後は切断除去する部分に含まれる、前記凸状空間部よりも前記シール部材側の、前記端部の内面に、長手方向の断面形状が凹状である拡管部が設けられた金型を用いて成形することを特徴とする液圧成形方法。
［２］前記成形用素材として管状素材を用い、その管状素材の両端部から軸線方向に沿って荷重を与えて、管状素材を軸線方向に沿って圧縮させながら、管状素材内を前記加圧用液圧によって加圧することを特徴とする上記［１］に記載の液圧成形方法。
［３］前記成形用素材の肉厚をｔ（ｍｍ）とした場合、前記拡管部の長手方向の幅ｗ（ｍｍ）を２ｔ〜４ｔ（ｍｍ）とすることを特徴とする上記［１］または［２］に記載の液圧成形方法。
［４］前記加圧用液体を加圧して成形する際の内圧を、下記式（１）による算出される最大内圧Ｐｍａｘ（ＭＰａ）以下とすることを特徴とする上記［１］〜［３］の何れか一項に記載の液圧成形方法。
Ｐｍａｘ＝（２×ＹＳ×ｔ）／（Ｄ−２ｔ） ・・・ （１）
ここで、ＹＳは前記成形用素材の降伏応力（ＭＰａ）、ｔは前記成形用素材の肉厚（ｍｍ）、Ｄは前記成形用素材の外径（ｍｍ）である。
［５］前記成形用素材の肉厚をｔ（ｍｍ）とした場合、前記金型の内面において前記拡管部の形成領域と未形成領域との境界における曲率半径Ｒ（ｍｍ）が３ｔ（ｍｍ）以下であることを特徴とする上記［１］〜［４］の何れか一項に記載の液圧成形方法。
［６］前記金型が、上下分離可能な上型と下型によって構成されてなり、前記上型あるいは前記下型の少なくとも一方に前記拡管部が形成されていることを特徴とする上記［１］〜［５］の何れか一項に記載の液圧成形方法。
［７］前記拡管部が、径方向断面において連続的に形成されていることを特徴とする上記［１］〜［６］の何れか一項に記載の液圧成形方法。
［８］前記キャビティの長手方向の断面形状が軸線に対して非対称である場合、前記成形用素材の変形量が少ない方に対応する金型内面に前記拡管部を設けることを特徴とする上記［１］〜［７］の何れか一項に記載の液圧成形方法。

［９］ キャビティを有し、前記キャビティ内に成形用素材を収容するとともに、前記成形用素材内に加圧用液体を充填し、その成形用素材内の加圧用液体を加圧して、キャビティの内面に沿った形状に成形する液圧成形法にて用いる金型であって、
前記金型は、径方向断面が閉断面であり、
前記キャビティに上方及び／または下方に向けて突出するように形成された凸状空間部と、前記凸状空間部の長手方向両端にあって液圧成形時にシール部材が装着される端部とを有しており、
前記金型の長手方向の少なくとも一方の前記端部であって、最終成形製品として不要な部分として液圧成形完了後は切断除去する部分に含まれる、前記凸状空間部よりも前記シール部材側の、前記端部の内面に、長手方向の断面形状が凹状である拡管部が設けられていることを特徴とする金型。
［１０］前記成形用素材の肉厚をｔ（ｍｍ）とした場合、前記拡管部の長手方向の幅ｗ（ｍｍ）を２ｔ〜４ｔ（ｍｍ）以下とすることを特徴とする上記［９］に記載の金型。
［１１］前記成形用素材の肉厚をｔ（ｍｍ）とした場合、前記金型の内面において前記拡管部の形成領域と未形成領域との境界における曲率半径Ｒ（ｍｍ）が３ｔ（ｍｍ）以下であることを特徴とする上記［９］または上記［１０］に記載の金型。
［１２］前記金型が、上下分離可能な上型と下型によって構成されてなり、前記上型あるいは前記下型の少なくとも一方に前記拡管部が形成されていることを特徴とする上記［９］〜［１１］の何れか一項に記載の金型。
［１３］前記拡管部が、径方向断面において連続的に形成されていることを特徴とする上記［９］〜［１２］の何れか一項に記載の金型。
［１４］前記キャビティの長手方向の断面形状が軸線に対して非対称である場合（上部と下部で異なる場合）、前記成形用素材の変形量が少ない方に対応する金型内面に前記拡管部が設けられていることを特徴とする上記［９］〜［１３］の何れか一項に記載の金型。
［１５］前記拡管部内において、前記拡管部の底面に固定され、かつ径方向の伸縮が可能な弾性体と、前記弾性体によって支持されるとともに前記金型の内面と略面一となるよう設けられた当て板を備えることを特徴とする上記［９］〜［１４］の何れか一項に記載の金型。

本発明の液圧成形方法（ハイドロフォーム加工法）によれば、管端部の面圧をより均一なものとでき、さらに素材管に対する成形上不必要な軸押し荷重を回避しうるようにし、これによって、軸押し荷重の急激な増大、成形製品の形状不良、及び加圧用液体の管外への漏洩を防止することができる。したがって本発明によれば、複雑な形状の中空成形品を、低コストで確実かつ安定して製造できるため、自動車・建設機械など、複雑な形状の成形部品が要求される分野でその工業的意義は大きい。

本発明の液圧成形方法の第１の実施形態を実施している状況を示す模式的な断面図である。 本発明の金型における拡管部及びその周辺領域の拡大断面模式図である。 本発明の液圧成形方法の第２の実施形態を実施している状況を示す模式的な断面図である。 本発明の液圧成形方法の第３の実施形態を実施している状況を示す模式的な断面図である。 本発明の液圧成形方法の第４の実施形態を実施している状況を示す模式的な断面図である。 従来法に従って液圧成形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。

次に本発明について図面を参照して詳細に説明する。なお、以下の説明で用いる図面は、本発明の特徴をわかりやすくするために、便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。

図１には、本発明の第１の実施形態として、管状の成形用素材である素材管１１を、その軸線方向に沿って軸押し（圧縮）しながら液圧成形する加工法、すなわちハイドロフォーム加工により成形している状況を示す。なお図１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。

図１において、金型１内のキャビティ（成形用空間）７には、上方及び下方に突出する凸状空間部９が形成されている。一方、素材管１１は、凸状空間部９に対応する突出部１１Ａを有する形状とされている。このような素材管１１は、既に述べたように、金型１への挿入前の段階で、予め予備加工を施すことによって、突出部１１Ａを有する形状に加工しておくのが通常であるが、場合によっては直管状の素材を金型内に挿入して、金型の型締め時の圧力によって突出部１１Ａを有する形状としても良い。なお図１では、素材管１１が金型１の内面に密着しているように示しているが、液圧（内圧）付与・軸押し前の段階では、素材管１１の外表面と金型１の内面との間に隙間が存在することはもちろんである。

図１において、素材管１１の両端に取り付けられた軸押し部材を兼ねたシール部材１５Ａ、１５Ｂのうち、一方のシール部材１５Ａには、液圧付与のための加圧用液体を導入する（黒矢印Ａ）導入路１７が形成されており、他方のシール部材１５Ｂには、素材管１１内の空気を加圧用液体にとよって排出する（黒矢印Ｂ）排出路１９が形成されている。

金型１としては、上下分離可能な上型３と下型５によって構成されるものを用いることができるが、本発明は当該構成に限定されず、例えば、金型１を構成する部品数が３以上であってもよい。

図１に示す金型１は、径方向断面が閉断面を備えており、長手方向の両端部の内面に、長手方向の断面形状が凹状である拡管部３０Ａが形成されている。すなわち、拡管部３０Ａは、凸状空間部９の領域以外の金型１の内面に形成されている。なお、本実施形態における「長手方向」とは、軸線方向であり、シール部材１５Ａ及びシール部材１５Ｂによる軸押し（圧縮）方向である。
拡管部３０Ａの形成領域を限定する理由については後記にて説明するが、成形完了後の素材管１１を最終成形製品とする際、拡管部３０Ａよりもシール部材側の素材（拡管部３０Ａ含む）については切断除去し、突出部１１Ａを含む素材管１１を製品とする。そのため、拡管部３０Ａを形成する位置は金型１のより端部側、すなわちシール部材１５Ａまたは１５Ｂ側に形成することが好ましい。

拡管図３０Ａ及びその周辺領域の拡大断面模式図を図２に示す。なお、図２には、図１に示す金型１の上型３における拡管部３０Ａを示しているが、下型５における拡管部３０Ａについても同様の構成、形状を有している。

拡管部３０Ａは金型の内面から径方向外周側へ凹状となるよう形成されている。
ここで、図１に示すような軸線対照の形状を有する金型１における拡管部３０Ａの機能について説明する。
キャビティ７内に充填された加圧用液体に高圧を加えると同時に素材管１１を軸押しして成形を行う際、金型１の断面形状が軸線対照の形状である、つまりキャビティ７の上部と下部それぞれにおける凸状空間部９を形成する輪郭の形状が軸対照であるため、素材管１１の変形量も軸線対照となる。そのため、成形中において、シール部材１５Ａ、１５Ｂのシール面に加わる軸押し荷重、すなわち素材管の管端部の面圧は面方向に均一な状態を維持することができる。
しかし、素材管１１の成形が完了する間近もしくは完了後は、これ以上の変形は必要ないにもかかわらず、キャビティ７のシール性確保のために一定以上の軸押し荷重を加えておかなければならない。このような軸押し荷重が成形間近あるいは成形完了後の素材管１１にかかることで、軸押し荷重の急激な増大や、しわの発生を引き起こす問題があった。
そこで、金型１に拡管部３０Ａを設けることで、成形が完了した後であっても、当該拡管部３０Ａを、素材管１１のさらなる変形を許容しうるスペースとして機能させるという、いわば「逃げ場」とすることができる。すなわち、たとえ成形が完了した後にシールを目的とした一定以上の荷重を加えたとしても、図１、２に示すように、素材管１１が拡管部３０Ａへ入り込むことで素材管１１の張力の上昇を低減でき、軸押し荷重の急激な増大を抑制するとともに、しわの発生を抑制できる。

なお、素材管１１が成形完了前の段階で拡管部３０Ａへ侵入してしまうと、それ以降の成形加工を正常に継続することが困難となるとともに、軸押し駆動装置へ膨大な負荷がかかってしまい、製造設備の安定した操業に支障をきたすおそれがある。つまり、成形初期の段階、すなわち加圧用液体による内圧と押し込み荷重を上昇させ素材管１１を塑性変形させようとする段階では、素材管１１の拡管部３０Ａへの侵入を防ぐことが望ましい。
すなわち、本実施形態においては、成形の初期段階から中盤にかけては素材管１１の拡管部３０Ａへの侵入を防ぎ、一方、成形の終盤〜成形完了までは侵入を促進することが重要である。これに対しては、拡管部３０Ａの形状、及び加圧用液体による内圧を制御することが有効に作用する。
以下、拡管部３０Ａの好ましい形状について図２を参照しながら説明する。

まず、素材管１１の肉厚をｔ（ｍｍ）とした場合、拡管部３０Ａの長手方向の幅ｗ（ｍｍ）は２ｔ〜４ｔ（ｍｍ）とすることが好ましい。幅ｗ（ｍｍ）を２ｔ（ｍｍ）未満とすると拡管部３０Ａへ素材管１１が侵入しにくく、上記のような拡管部３０Ａの機能を十分に発揮させることが難しい。一方、幅ｗ（ｍｍ）を４ｔ（ｍｍ）超とすると、成形初期段階の内圧レベルででも拡管部３０Ａに侵入しやすくなり、本来の目的である素材管１１の成形加工性が劣化するおそれがある。これらの観点から、幅ｗ（ｍｍ）は２．５ｔ〜３．５ｔ（ｍｍ）とすることがさらに好ましい。

また、加圧用液体を加圧して成形する際の内圧を、下記式（１）による算出される最大内圧Ｐｍａｘ（ＭＰａ）以下とすることが好ましい。
Ｐｍａｘ＝（２×ＹＳ×ｔ）／（Ｄ−２ｔ） ・・・ （１）
ＹＳ：前記成形用素材の降伏応力（ＭＰａ）
ｔ：前記成形用素材の肉厚（ｍｍ）
Ｄ：前記成形用素材の外径（ｍｍ）
最大内圧Ｐｍａｘ（ＭＰａ）とは、弾塑性材において、軸押し荷重の有無を問わずに内圧だけで塑性変形が開始される内圧の限界値である。つまり、キャビティ７内へ加圧用液体を充填後、当該液体を加圧して内圧を徐々に上げていく途中に内圧がＰｍａｘを超えてしまうと、成形途中でありながら、素材管１１が拡管部３０Ａに侵入するおそれがある。加えて、素材管１１全体においても軸押し荷重の有無関係なく内圧のみで塑性変形が開始されるため、拡管・減肉が進行し割れが生じるおそれがある。したがって、加圧用液体を加圧して成形する際の内圧は、Ｐｍａｘ以下を維持することが好ましい。
なお、一般的に、ハイドロフォーム加工法においては所定の内圧をかけた状態（所定の内圧まで上昇させた状態）で軸押しを開始する場合が多いが、素材管の形状によっては内圧をかけつつ軸押し荷重を加える、つまり内圧と軸押し荷重ともに徐々にあげる場合もある。いずれの場合においても、内圧は、Ｐｍａｘ以下を維持することが好ましい。

また、素材管１１の肉厚をｔ（ｍｍ）とした場合、金型１の内面において、拡管部３０Ａの形成領域と未形成領域との境界、いわゆる肩部における曲率半径Ｒ（ｍｍ）を３ｔ（ｍｍ）以下とすることが好ましい。曲率半径Ｒを３ｔ（ｍｍ）超とすると、成形初期段階の内圧レベルででも拡管部３０Ａに侵入しやすくなり、本来の目的である素材管１１の成形加工性が劣化するおそれがある。これらの観点から、曲率半径Ｒ（ｍｍ）は２．５ｔ（ｍｍ）以下とすることがさらに好ましく、さらには２．０ｔ（ｍｍ）以下とする。

以上説明したような拡管部３０Ａは、金型１の上型３あるいは下型５の少なくとも一方に形成されていればよい。図１に示す金型１は、上型３と下型５の両型に拡管部３０Ａが形成された構成であるが、当該構成に限らず、例えば、上型３のみ、もしくは下型５のみに形成されていてもよい。
また、拡管部３０Ａは、金型１の長手方向の少なくとも一方の端部に形成されていればよい。図１に示す金型１は、金型１の長手方向両端部に拡管部３０Ａが形成された構成であるが、当該構成に限らず、例えば、シール部材１５Ａ側の端部のみ、もしくはシール部材１５Ｂ側の端部のみに形成されていてもよい。

また、拡管部３０Ａは、径方向断面において連続的に形成されていることが好ましい。
ハイドロフォーム加工法においては、素材管内面における軸押し荷重の分布を推測することは難しく、その精度を上げることはさらに難しい。そのため、どの部位で荷重が集中するか、またどの部位でシワが発生しやすいかは、実際の加工結果を観察しない限り推測することは困難であるのが現状である。そのため、素材管１１の端部内面の全周にわたり拡管部３０Ａを設ける、すなわち径方向断面において連続的（リング状）に形成することで、荷重が集中する部位がどこであっても、素材管１１の拡管３０Ａへの侵入を担保できる。
また、拡管部３０Ａが金型１の上型３あるいは下型５のいずれか一方に形成されている場合においても、径方向断面において連続的に形成されていることが好ましく、その場合は、拡管部３０Ａの径方向断面の形状は略半円状とすることができる。
なお、拡管部３０Ａの径方向断面形状はリング状、略半円状のほか、一定の周期で配置されたドット状としてもよい。

以上説明したような拡管部３０Ａが形成された金型１を用いてハイドロフォーム加工を実施するにあたっては、まず、金型１を開放した状態で素材管１１を上型３と下型５との間に挿入し、型締めする。そして、シール部材１５Ａ、１５Ｂを素材管１１の管端面の位置に駆動してシールし、開閉弁２３を開放した状態で、導入路１７から素材管１１内に加圧用液体を導入するとともに、排出ロ１９から素材管１１内の空気を排出する。
なお、ここでは型締め後に管端面のシールと加圧用液体の導入を行なうものとして説明したが、型締めの前に管端面のシールと加圧用液体の導入を行なってもよい。

素材管１１内の空気を排出して素材管１１内を加圧用液体で充満させた後、開閉弁２３を閉じ、図示しない増圧機を用いて加圧用液体に高圧を加えると同時に、軸押し部材を兼ねたシール部材１５Ａ、１５Ｂによって素材管１１に軸線方向に沿った加圧力を与えて、素材管１１を軸押しする。

その後は、常法に従って液圧付与を停止させるとともに、軸線方向加圧力を解除し、金型１を開放する。またそれに前後して素材管１１内の液体を排出し、成形品を金型１から取り出して、シール部材１５Ａ、１５Ｂを素材管１１から取り外せば、一連の成形プロセスが終了する。

なお、本実施形態においては、当該プロセスが完了した後に、拡管部３０Ａよりもシール部材側の素材（拡管部３０Ａ含む）については切断除去する。
本実施形態では、上述したように、金型１の端部に拡管部３０Ａを設けるが、この拡管部３０Ａは、上述したように素材管１１のさらなる変形を許容しうるスペースとして機能させるという、いわば「逃げ場」であり、最終成形製品の構成部材としての形状設計等はされていない。そのため、成形完了後は、成形品のうち最終成形製品として不要な部分（拡管部３０Ａ含む）については切り落とし、突出部１１Ａを含む成形品を最終成形製品とする。したがって、金型１に拡管部３０Ａを形成する際には、切断除去領域が広くならないよう、なるべくシール部材１５Ａ、１５Ｂ側に形成することが好ましい。

次に、本発明の第２の実施形態を説明する。
図１においては、金型１内のキャビティ（成形用空間）７において、上方と下方の両方に突出した凸状空間部９が形成されている構造としたが、図３に示すように、凸状空間部９の形状を上方のみに突出した形状としてもよい。つまり、キャビティ７としてその中央部分が上方に膨出して凸状空間９を有する形状とし、それに合わせて、素材管１１も、上方に膨出する突出部１１Ａを有する形状としてもよい。また、図示してはいないが、凸状空間部９の形状を下方のみに突出した形状としてもよい。
図３に示す例は、キャビティ７の長手方向の断面形状が、軸線に対して非対称である場合（上部と下部で異なる場合）があり、この場合、軸線方向に沿った軸押しの荷重（軸押し荷重）による素材管１１の変形量が上部と下部で異なる。

キャビティ７の長手方向の断面形状が軸線に対して非対称である場合、先に成形加工が完了したキャビティ７の下部に対応する素材管１１には張力が生じてしまい、それに伴ってしわの発生や変形量の差異が生じ、素材管１１の管端部の面圧が不均一となる結果、シール部材１５Ａ、１５Ｂによるシールが不安定となる問題があった。
そのため、キャビティ７の長手方向の断面形状が軸線に対して非対称である場合は、素材管１１の変形量が少ない方に対応する金型１に（図３でいう下型５側）に拡管部３０Ａを設けることが好ましい。こうすることで、より張力が発生しやすい前記変形量が少ない方の素材管１１を効率的に拡管部３０Ａに逃がすことができ、結果、軸押し荷重の急激な増大や、しわの発生を抑制できるとともに、管端部における不均一な面圧を緩和させより均一にさせることができる。
なお、図３においては素材管１１の変形量が少ない方に対応する下型５に拡管部３０Ａを設ける構成を図示したが、上型３に拡管部３０Ａが形成されていても何ら問題ない。また、拡管部３０Ａが、径方向断面においてリング状に形成されていてもよい。

次に、本発明の第３の実施形態を説明する。
図４に示すように、キャビティ７としてその形状が上方に大きく蛇行した凸状空間９を有する形状とし、それに合わせて、素材管１１も、上方に大きく蛇行する突出部１１Ａを有する形状としてもよい。また、図示してはいないが、当該蛇行の向きが上方ではなく下方であってもよい。
図４に示すような大きく蛇行する突出部１１Ａを有する素材管１１の成形量は、図１や図３に示した例と比較すると全周にわたって少ない。すなわち、図４に示す例は、図１や図３に示した例とは異なり拡径加工ではないので全周にわたって張力が生じやすい。

また、このような蛇行形状を成形する場合は、径方向及び長手方向ともに軸押し荷重分布が非常に複雑となるとともに、管端部における面圧も不均一になりやすいため、どの部位で張力が増大しているのか、またどの部位でしわが生じやすいか等推測することは困難である。さらに、このような形状に対して内圧を加え詳細な形状に作り込む際、シール部材１５Ａ、１５Ｂが引き込まれる場合もある。さらに、図４に示すような蛇行形状である突出部１１Ａを有する素材管１１を成形する場合、金型１への挿入前の段階で、予め予備加工を施すことによって、蛇行形状である突出部１１Ａを有する形状に加工しておくことが多い。しかし、直管からの変化量が大きいこのような形状を予備加工でつくり込むことは容易ではなく、径方向、長手方向ともに曲げのばらつきが生じやすい。
これらの観点から、図４に示すような予備加工において大きな変形を必要とする場合や、成形加工が拡径ではなく金型１になじませる程度の変形量である加工の場合においては、拡管部３０Ａは、径方向断面においてリング状に形成されていることが好ましい。このように、素材管１１の端部内面の全周にわたり拡管部３０Ａを設けることで、荷重が集中する部位がどこであっても、素材管１１の拡管３０Ａへの侵入を担保でき、さらに予備加工における曲げのばらつきを緩和させることができる。

次に、本発明の第４の実施形態を説明する。
図５は、図４に示すような蛇行形状である突出部が長手方向に２つ並んで配置されている例であり、図４に示す例よりもその形状は複雑で、径方向及び長手方向ともに軸押し荷重分布を推測することは非常に難しいものである。
図５に示すように、キャビティ７の２箇所に凸状空間部９−１、９−２が形成されていて、素材管１１としてその長さ方向の異なる２箇所の部分に突出部１１Ａ−１、１１Ａ−２が形成されている。このような複雑な形状を有する金型を用いた成形加工においても、図４同様の理由で、拡管部３０Ａは、径方向断面においてリング状に形成されていることが好ましい。このように、素材管１１の端部内面の全周にわたり拡管部３０Ａを設けることで、図４と同様に、荷重が集中する部位がどこであっても、素材管１１の拡管３０Ａへの侵入を担保でき、さらに予備加工における曲げのばらつきを緩和させることができる。

また、図１〜５に示した本発明の第１〜第４実施形態それぞれの金型１における拡管部３０Ａ内において、拡管部３０Ａの底面に固定され、かつ径方向の伸縮が可能な弾性体と、前記弾性体によって支持されるとともに金型１の内面と略面一となるよう設けられた当て板を備えてもよい。
成形の初期段階から中盤にかけては素材管１１の拡管部３０Ａへの侵入を防ぐことが重要であることは上記で述べたとおりである。そこで、本実施形態においては、拡管部３０Ａ内に、素材管１１が物理的に侵入できないよう、当て板を設け、当該当て板を拡管部３０Ａの底面に固定された弾性体によって支持するとともに、当該弾性体を径方向の伸縮が可能な構造とすることが好ましい。これによって、成形初期段階では内圧が低いことから当て板で拡管部３０Ａを物理的に塞いでおくことができる。なお、次第に内圧が上がるにつれ、弾性体が縮みはじめ拡管部３０Ａの凹部が露出され始める。そして、成形終期の段階まで経過すると内圧は一定以上まで上昇し、当て板が拡管部３０Ａの底面まで下がる（弾性体が縮む）ため、上述したような拡管部３０Ａの機能を発揮させることができる。また、このように成形初期段階において、当て板により素材管１１の拡管部３０Ａへの侵入を物理的に抑制することで、初期内圧を高めることが可能となり、成形加工における成形性を確保することができる。
弾性体としては特に限定せず、板ばねやワイヤばね等の復元性を有するものであれば適用可能である。
なお、当該当て板を備える構成については、図１〜５に示した本発明の第１〜第４実施形態いずれにおいても適用させることができる。

以上、本発明の好ましい実施形態を説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されないことはもちろんである。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。

１ 金型
３ 上型
５ 下型
７ キャビティ（成形用空間）
９ 凸状空間部
１１ 素材管（成形用素材としての管状素材）
１１Ａ 突出部
１５Ａ、１５Ｂ シール部材
３０Ａ 拡管部

Claims (15)

1. 金型のキャビティ内に、成形用素材を収容するとともに、前記成形用素材内に加圧用液体を充填し、その成形用素材内の加圧用液体を加圧して、キャビティの内面に沿った形状に成形する液圧成形方法において、
   前記金型は、前記キャビティに上方及び／または下方に向けて突出するように形成された凸状空間部と、前記凸状空間部の長手方向両端にあって液圧成形時にシール部材が装着される端部とを有しており、
   前記金型の長手方向の少なくとも一方の前記端部であって、最終成形製品として不要な部分として液圧成形完了後は切断除去する部分に含まれる、前記凸状空間部よりも前記シール部材側の、前記端部の内面に、長手方向の断面形状が凹状である拡管部が設けられた金型を用いて成形することを特徴とする液圧成形方法。
2. 前記成形用素材として管状素材を用い、その管状素材の両端部から軸線方向に沿って荷重を与えて、管状素材を軸線方向に沿って圧縮させながら、管状素材内を前記加圧用液圧によって加圧することを特徴とする請求項１に記載の液圧成形方法。
3. 前記成形用素材の肉厚をｔ（ｍｍ）とした場合、前記拡管部の長手方向の幅ｗ（ｍｍ）を２ｔ〜４ｔ（ｍｍ）とすることを特徴とする請求項１または２に記載の液圧成形方法。
4. 前記加圧用液体を加圧して成形する際の内圧を、下記式（１）による算出される最大内圧Ｐｍａｘ（ＭＰａ）以下とすることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の液圧成形方法。
   Ｐｍａｘ＝（２×ＹＳ×ｔ）／（Ｄ−２ｔ） ・・・ （１）
   ここで、ＹＳは前記成形用素材の降伏応力（ＭＰａ）、ｔは前記成形用素材の肉厚（ｍｍ）、Ｄは前記成形用素材の外径（ｍｍ）である。
5. 前記成形用素材の肉厚をｔ（ｍｍ）とした場合、前記金型の内面において前記拡管部の形成領域と未形成領域との境界における曲率半径Ｒ（ｍｍ）が３ｔ（ｍｍ）以下であることを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載の液圧成形方法。
6. 前記金型が、上下分離可能な上型と下型によって構成されてなり、前記上型あるいは前記下型の少なくとも一方に前記拡管部が形成されていることを特徴とする請求項１〜５の何れか一項に記載の液圧成形方法。
7. 前記拡管部が、径方向断面において連続的に形成されていることを特徴とする請求項１〜６の何れか一項に記載の液圧成形方法。
8. 前記キャビティの長手方向の断面形状が軸線に対して非対称である場合、前記成形用素材の変形量が少ない方に対応する金型内面に前記拡管部を設けることを特徴とする請求項１〜７の何れか一項に記載の液圧成形方法。
9. キャビティを有し、前記キャビティ内に成形用素材を収容するとともに、前記成形用素材内に加圧用液体を充填し、その成形用素材内の加圧用液体を加圧して、キャビティの内面に沿った形状に成形する液圧成形法にて用いる金型であって、
   前記金型は、径方向断面が閉断面であり、
   前記キャビティに上方及び／または下方に向けて突出するように形成された凸状空間部と、前記凸状空間部の長手方向両端にあって液圧成形時にシール部材が装着される端部とを有しており、
   前記金型の長手方向の少なくとも一方の前記端部であって、最終成形製品として不要な部分として液圧成形完了後は切断除去する部分に含まれる、前記凸状空間部よりも前記シール部材側の、前記端部の内面に、長手方向の断面形状が凹状である拡管部が設けられていることを特徴とする金型。
10. 前記成形用素材の肉厚をｔ（ｍｍ）とした場合、前記拡管部の長手方向の幅ｗ（ｍｍ）を２ｔ〜４ｔ（ｍｍ）以下とすることを特徴とする請求項９に記載の金型。
11. 前記成形用素材の肉厚をｔ（ｍｍ）とした場合、前記金型の内面において前記拡管部の形成領域と未形成領域との境界における曲率半径Ｒ（ｍｍ）が３ｔ（ｍｍ）以下であることを特徴とする請求項９または１０に記載の金型。
12. 前記金型が、上下分離可能な上型と下型によって構成されてなり、前記上型あるいは前記下型の少なくとも一方に前記拡管部が形成されていることを特徴とする請求項９〜１１の何れか一項に記載の金型。
13. 前記拡管部が、径方向断面において連続的に形成されていることを特徴とする請求項９〜１２の何れか一項に記載の金型。
14. 前記キャビティの長手方向の断面形状が軸線に対して非対称である場合、前記成形用素材の変形量が少ない方に対応する金型内面に前記拡管部が設けられていることを特徴とする請求項９〜１３の何れか一項に記載の金型。
15. 前記拡管部内において、前記拡管部の底面に固定され、かつ径方向の伸縮が可能な弾性体と、前記弾性体によって支持されるとともに前記金型の内面と略面一となるよう設けられた当て板を備えることを特徴とする請求項９〜１４の何れか一項に記載の金型。

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