JP6398564B2 - ハイドロフォーミング加工品の製造方法および製造装置 - Google Patents

Description

本発明は、ハイドロフォーミング加工品の製造方法および製造装置に関する。

自動車の燃費および安全性の向上の観点から、自動車の車体構成部品や搭載部品（以下、単に「部品」という）には、軽量化と強度および剛性の向上がいっそう求められている。これらを実現するためには、部品における強度や剛性に有効な部分のみを厚肉とするとともにそれら以外の部分を薄肉とすることが有効である。また、部品における、アーク溶接等によって他の部品や部材と溶接される部位は、溶接性の観点（溶け落ち防止）から、厚肉とする必要がある場合もある。したがって、部品全体を厚肉とするのではなく、部品における溶接予定部のみを厚肉とすることも、部品の軽量化には有効である。

部分的に肉厚が異なる中空の部材の製造法として鋼管のハイドロフォーミング加工が知られる。鋼管のハイドロフォーミング加工により製造されるハイドロフォーミング加工品は、（ａ）加工硬化による強度上昇、（ｂ）一体成形による溶接部の省略、（ｃ）スプリングバックが小さいことによる寸法精度の向上などのメリットを有するため、部品への適用が拡大している。

非特許文献１には、ハイドロフォーミングで得られる肉厚分布の例が開示されている。これによれば、一般的な軸押しと内圧によるハイドロフォーミングでは、管端部が増肉する傾向にある。

平成１８年度 塑性加工春季講演会（２００６．５．２６〜２７ 東京都）３〜４頁

しかし、鋼管を素材としてハイドロフォーミング加工により軸方向端部が部分的に増肉したハイドロフォーミング加工品を製造しようとすると、以下に説明する課題がある。

図１は、鋼管を素材としてハイドロフォーミング加工により鋼管軸方向の端部が増肉された部品を製造する場合の加工開始時を示す説明図である。

図１に示すように、ハイドロフォーミング加工は、素材である鋼管１を外型２の内部にセットし、鋼管１の軸方向端面に当接して鋼管１の内部をシール可能な軸押し工具３を鋼管１に押し付け、鋼管１の内部に成形水４を供給するとともに軸押し工具４を鋼管１の軸方向へ押し込むことにより、軸方向端部が部分的に増肉した中空の部品を製造する。

図２，３は、いずれも、このハイドロフォーミング加工後における成形不良の発生状況を示す説明図であり、図２は鋼管１が厚肉である場合を示し、図３は鋼管１が薄肉である場合を示す。

図２に示すように、鋼管１が厚肉である場合には、鋼管１の管端部１ａの近傍の部分５しか増肉されず、鋼管１の軸方向の内部の所定域まで増肉することができない。

また、図３に示すように、鋼管１が薄肉である場合には、鋼管１の管端部１ａの近傍で座屈６が生じ，増肉することができない。

すなわち、図１〜３に示す従来のハイドロフォーミング加工の際に用いる軸押し工具３は、素材である鋼管１の管端部１ａをシールすることにより成形時の成形水４が鋼管１の外部へ漏洩しないようにすることが目的である。このため、軸押し工具３の、鋼管１の軸方向への長さＬ１は短く、鋼管１の管端部における増肉される部分の内面を十分に拘束することができない。

このように、鋼管のハイドロフォーミング加工では、成形中に軸押しを行うことにより確かに管端部を増肉することが可能であるものの、鋼管の内面側は液体により保持されているだけであるため、鋼管の肉厚によっては、管端部に近い部位のみが局部的に増肉したり、管端部１ａの近傍で座屈したりしてしまい、目的の肉厚分布を有するハイドロフォーミング加工品を製造することは難しいという、ハイドロフォーミングの軸押しを用いて鋼管の管端部を増肉させようとする場合に特有な課題があった。

本発明は、この課題を解決することができるハイドロフォーミング加工品の製造方法および製造装置を提供することを目的とする。

本発明者は、鋭意検討を重ねた結果、鋼管のハイドロフォーミング加工の成形中に軸押しを行うことにより管端部が増肉した中空のハイドロフォーミング加工品を製造する際に、従来のように鋼管の軸方向端面に当接して鋼管の内部をシール可能な軸押し工具を用いるのではなく、増肉させたい鋼管の管端部の内面に成形完了時に当接可能な外面を有する芯金を備えるとともに鋼管の軸方向端面に当接して鋼管の内部をシール可能な軸押し工具と、ハイドロフォーミング加工品の外面に成形完了時に当接可能な内面を有する金型とを用いて、軸押し工具を用いたハイドロフォーミング加工を行うことにより、上記課題を解決することができることを知見し、さらに検討を重ねて本発明を完成した。本発明は、以下に列記の通りである。

（１）所定の板厚ｔ _０ を有する鋼管に軸押し加工およびハイドロフォーム加工を行って、前記鋼管の軸方向における端部の所定領域を前記軸に垂直な断面において軸中心に向けて増肉させて、前記所定領域に対応する領域が増肉した中空かつ鋼製のハイドロフォーミング加工品を製造する装置であって、
芯金とシール部とを有し、前記鋼管をその軸方向に押込む軸押し工具と、
前記ハイドロフォーミング加工品の外面に成形完了時に当接可能な内面を有する外型とを備え、
前記芯金は、その外面と前記鋼管の内面との間に０．０２ｔ _０ 〜２．５ｔ _０ の隙間を有し、前記ハイドロフォーミング加工品における前記領域の内面に成形完了時に当接可能である、ハイドロフォーミング加工品の製造装置。

本発明により製造されるハイドロフォーミング加工品として自動車用部品が望ましく、具体的には、サブフレームのサスペンションメンバー、トーションビーム、エンジンクレードル等が例示される。

軸押し工具の一部をなす芯金の、鋼管の軸方向への長さは鋼管の管端部の肉厚の３倍以上であることが、上記課題を確実に解決するためには望ましく、鋼管の外径Ｄの５倍以下であることがいっそう望ましい。

本発明では、肉厚ｔ_０（ｍｍ）と外径Ｄ（ｍｍ）との比（ｔ_０／Ｄ）は０．０１以上０．２以下である鋼管を対象とすることが、また、鋼管の肉厚ｔ_０（ｍｍ）は１．２ｍｍ以上１５ｍｍ以下であるとともに外径Ｄ（ｍｍ）は１２ｍｍ以上１２０ｍｍ以下であることが、さらに、鋼管の長さＬが１００ｍｍ以上２０００ｍｍ以下であることが、上記課題を確実に解決するためには望ましい。

鋼管の材質は、例えば引張強度が２９０ＭＰａ以上の鋼であること（例えばＳＴＫＭ１１Ａ）が例示されるが、特に限定を要さない。

本発明により製造されるハイドロフォーミング加工品の増肉部における最大肉厚ｔ（ｍｍ）と、鋼管の肉厚ｔ０（ｍｍ）との比として規定される増肉率（ｔ／ｔ０）は１．１以上３．０以下であることが、上記課題を確実に解決するためには望ましい。

（２）前記芯金の外形は前記軸方向へ段階的または連続的に変化する形状である１項に記載されたハイドロフォーミング加工品の製造装置。

（３）前記芯金の外形はその周方向へ変化する形状である１項または２項に記載されたハイドロフォーミング加工品の製造装置。

（４）１項から３項までのいずれか１項に記載されたハイドロフォーミング加工品の製造装置を用いて端部における軸方向への所定の領域が増肉した中空かつ鋼製のハイドロフォーミング加工品を製造する方法であって、
前記鋼管を前記外型の内部にセットし、前記軸押し工具を該鋼管に押し付け、該鋼管の内部に成形流体を供給するとともに前記軸押し工具を前記鋼管の軸方向へ押し込むこと
を特徴とするハイドロフォーミング加工品の製造方法。

図１は、鋼管を素材としてハイドロフォーミング加工により鋼管軸方向の端部が増肉された部品を製造する場合の加工開始時を示す説明図である。 図２は、ハイドロフォーミング加工後における成形不良の発生状況を示す説明図であり、鋼管が厚肉である場合を示す。 図３は、ハイドロフォーミング加工後における成形不良の発生状況を示す説明図であり、鋼管が薄肉である場合を示す。 図４は、本発明に係る製造装置を用いて本発明に係る製造方法を実施する場合における成形開始時の状況を示す説明図である。 図５は、本発明に係る製造装置を用いて鋼管を素材としてハイドロフォーミング加工により鋼管軸方向の端部が部分的に増肉された部品を製造する場合の加工終了時を示す説明図であり、鋼管が厚肉である場合を示す。 図６は、本発明に係る製造装置を用いて鋼管を素材としてハイドロフォーミング加工により鋼管軸方向の端部が増肉された部品を製造する場合の加工終了時を示す説明図であり、鋼管が薄肉である場合を示す。 図７は、軸押し工具の変形例を示す説明図である。 図８は、軸押し工具の変形例を示す説明図である。

本発明を、添付図面を参照しながら、説明する。
１．製造装置１０
図４は、本発明に係る製造装置１０を用いて本発明に係る製造方法を実施する場合における成形開始時の状況を示す説明図である。図５は、本発明に係る製造装置１０を用いて鋼管１を素材としてハイドロフォーミング加工により鋼管軸方向の端部１ｂが部分的に増肉された部品１１を製造する場合の加工終了時を示す説明図であり、鋼管１が厚肉である場合を示す。さらに、図６は、本発明に係る製造装置１０を用いて鋼管１を素材としてハイドロフォーミング加工により鋼管軸方向の端部１ｂが増肉された部品１２を製造する場合の加工終了時を示す説明図であり、鋼管１が薄肉である場合を示す。

なお、以降の説明では、上述した図１〜３で用いた部分と共通の部部分には同一の図中符号を付することにより、重複する説明を適宜省略する。

図４〜６に示すように、本発明に係る製造装置１０は、成形素材である鋼管１にハイドロフォーム加工を行って、端部における軸方向への所定の領域Ｌ２が増肉した中空かつ鋼製のハイドロフォーミング加工品１１，１２を製造する。

本発明により製造されるハイドロフォーミング加工品１１，１２として自動車用部品が望ましく、具体的には、サブフレームのサスペンションメンバー、トーションビーム、エンジンクレードル等が例示される。

鋼管１の肉厚ｔ_０（ｍｍ）と外径Ｄ（ｍｍ）との比（ｔ_０／Ｄ）は０．０１以上０．２以下であることが、また、鋼管１の肉厚ｔ_０（ｍｍ）は１．２ｍｍ以上１５ｍｍ以下であるとともに外径Ｄ（ｍｍ）は１２ｍｍ以上１２０ｍｍ以下であることが、上記課題を確実に解決するためには望ましい。

鋼管１の材質は、例えば引張強度が２９０ＭＰａ以上の鋼であること（例えばＳＴＫＭ１１Ａ）が例示されるが、特に限定を要さない。

製造装置１０は、軸押し工具７と、外型２とを備えるので、これらの構成要素を説明する。

［軸押し工具７］
軸押し工具７は、鋼管１の軸方向端面１ａに当接して鋼管の内部をシール可能である。すなわち、軸押し工具７は、図１〜３に示す軸押し工具３が有するシール機能と同等のシール機能を有する。

さらに、軸押し工具７は、図５，６に示すように、ハイドロフォーミング加工品１１の管端部１ｂの内面に成形完了時に当接可能な外面を有する芯金８を備える。すなわち、軸押し工具７の一部をなす芯金８の、鋼管１の軸方向への長さは、鋼管１の管端部１の最大肉厚の３倍以上であることが、鋼管１の管端部１ｂの内面に成形完了時に当接して上記課題を確実に解決するためには望ましく、鋼管の外径Ｄ（ｍｍ）の５倍以下であることがいっそう望ましい。

図４に示すように、成形開始前には、鋼管１の内面は、シール部９においてメタルシールもしくはＯリングなどのシール部材と接触しているが、それ以外の部分には芯金８との間に隙間δを有している。隙間δの大きさは、増肉後の製品１１，１２の肉厚と同じにすればよく、例えば、０．０２×（鋼管１の板厚）〜２．５×（鋼管１の板厚）の範囲とすすることが例示される。

鋼管１に負荷する内圧Ｐ（ＭＰａ）は、鋼管１の引張強度ＴＳ（ＭＰａ），降伏応力ＹＳ（ＭＰａ）に対して、下式で示す範囲とすればよい。

０．５×（ｔ_０／Ｄ）×ＹＳ≦Ｐ≦１．０×ＴＳ
軸押し工具７の、上記以外の構成は、この種の軸押し工具の慣用の構成と同じでよく、このような構成は当業者には周知であるので、軸押し工具７に関するこれ以上の説明は省略する。

［外型２］
製造装置１０における外型２は、図１〜３に示す従来の製造装置における外型２と同様でよく、ハイドロフォーミング加工品１１，１２の外面に成形完了時に当接可能な内面を有している。外型２のこのような構成は当業者には周知であるので、外型２に関するこれ以上の説明は省略する。

なお、図示していないが、製造装置１０は鋼管１の内部へ所定の内圧の成形水４を供給するための成形水供給系を有していることは言うまでもない。

本発明に係る製造装置１０は以上のように構成される。次に、製造装置１０を用いた製造方法を説明する。

２．製造方法
本発明に係る製造方法は、製造装置１０を用いて端部における軸方向への所定の長さＬ２の領域が増肉した中空かつ鋼製のハイドロフォーミング加工品１１，１２を製造する。

すなわち、鋼管１を外型２の内部にセットし、軸押し工具７を鋼管１に押し付け、図示しない成形水供給系から鋼管１の内部に成形流体を供給するとともに軸押し工具７を鋼管１の軸方向へ押し込むことにより、ハイドロフォーミング加工品１１，１２を製造する。

軸押し工具７の一部をなす芯金８の、鋼管１の軸方向への長さは、鋼管１の管端部１の最大肉厚の３倍以上と長く設定されている。このため、成形完了時には、図２を参照しながら説明下ように増肉が管端部に集中することなく、鋼管１が厚肉である場合には、図５に示すように長手方向に均一に増肉することが可能になる。また、管端部近傍だけではなく、より広い範囲にわたって増肉することが可能になる。

また、図６に示すように、鋼管１が薄肉である場合には、図３を参照しながら説明したように座屈することなく、管端部を均一に増肉することが可能になる。

本発明により製造されるハイドロフォーミング加工品１１，１２の増肉部１ｂにおける最大肉厚ｔ（ｍｍ）と、鋼管１の肉厚ｔ０（ｍｍ）との比として規定される増肉率（ｔ／ｔ０）は１．１以上３．０以下であることが、上記課題を確実に解決するためには望ましい。

図７は、軸押し工具の変形例７−１を示す説明図である。
軸押し工具７−１における芯金８の外形は、図７に示すように、必要な肉厚分布に応じて、軸方向（長手方向）へ段階的もしくは連続的に変化する形状であってもよい。これは、鋼管１が円管である場合に限られず、矩形管や異形管でも同様である。

図８は、軸押し工具の変形例７−２を示す説明図である。
軸押し工具７−２における芯金８の外形は、図８に示すように、その周方向へ変化する形状であってもよい。これは、鋼管１が円管である場合に限られず、矩形管や異形管でも同様である。

１ 鋼管
１ａ 軸方向端面
１ｂ 管端部
２ 外型
７ 軸押し工具
８ 芯金
１０ 本発明に係る製造装置
１１，１２ ハイドロフォーミング加工品

Claims (4)

1. 所定の板厚ｔ _０ を有する鋼管に軸押し加工およびハイドロフォーム加工を行って、前記鋼管の軸方向における端部の所定領域を前記軸に垂直な断面において軸中心に向けて増肉させて、前記所定領域に対応する領域が増肉した中空かつ鋼製のハイドロフォーミング加工品を製造する装置であって、
   芯金とシール部とを有し、前記鋼管をその軸方向に押込む軸押し工具と、
   前記ハイドロフォーミング加工品の外面に成形完了時に当接可能な内面を有する外型とを備え、
   前記芯金は、その外面と前記鋼管の内面との間に０．０２ｔ _０ 〜２．５ｔ _０ の隙間を有し、前記ハイドロフォーミング加工品における前記領域の内面に成形完了時に当接可能である、ハイドロフォーミング加工品の製造装置。
2. 前記芯金の外形は前記軸方向へ段階的または連続的に変化する形状である請求項１に記載されたハイドロフォーミング加工品の製造装置。
3. 前記芯金の外形はその周方向へ変化する形状である請求項１または請求項２に記載されたハイドロフォーミング加工品の製造装置。
4. 請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載されたハイドロフォーミング加工品の製造装置を用いて端部における軸方向への所定の領域が増肉した中空かつ鋼製のハイドロフォーミング加工品を製造する方法であって、
   前記鋼管を前記外型の内部にセットし、前記軸押し工具を該鋼管に押し付け、該鋼管の内部に成形流体を供給するとともに前記軸押し工具を前記鋼管の軸方向へ押し込むこと
   を特徴とするハイドロフォーミング加工品の製造方法。