JP6567120B1 - ハイドロフォーミング方法 - Google Patents

Abstract

【課題】割れ、座屈及びしわが発生しにくく、且つ実用的なハイドロフォーミング方法及びハイドロフォーミング装置を提供する。【解決手段】ハイドロフォーミング方法は、金型１１の加工空間Ｓ１に配置された管体３０に内圧を加えつつ、管体３０の軸方向の長さを縮小させる方向に管体３０を両端側から押圧することによって、管体３０の軸と直交する断面形状を変形させるハイドロフォーミング方法であって、少なくとも第１ハイドロフォーミング工程と、第１ハイドロフォーミング工程に続く第２ハイドロフォーミング工程とを有し、第１ハイドロフォーミング工程において、管体３０の軸方向と直交する断面の周長を第１長さに拡張し、第２ハイドロフォーミング工程において、管体３０の軸方向と直交する断面を、管体３０の第１長さの周長を維持しつつ変形させる。【選択図】図３

Description

本発明は、ハイドロフォーミング方法及びハイドロフォーミング装置に関する。

近年、管体のハイドロフォーミング方法は、部品の軽量化、剛性の向上、部品数削減によるコスト削減等の観点から、自動車業界や家電業界だけでなくエネルギー産業分野においても注目されるようになってきている。ハイドロフォーミング方法は、金型内に設置された管体の内圧と軸方向の押し込み量とを調整することにより、管体を様々な形状に加工するものである。
ハイドロフォーミング方法では、最終的な内圧と押し込み量が同じでも、その内圧と押し込み量に至るまでの途中の負荷経路が異なると、最終的な成形品の出来映えが変わってくる。例えば、負荷経路によっては、管体に亀裂やしわが生じたり、座屈したり、コーナー部形状が目標値に達しない等の不良品が発生する。

このため、特許文献１のハイドロフォーミング方法では、負荷内圧を縦軸、軸方向の押し込み量を横軸として、割れ限界線及びしわ座屈限界線を作成して、軸方向の押し込み量が所定値になった時点で、割れ限界線としわ座屈線の間の所定内圧まで内圧の付与を行うことで、管体の割れ、しわ及び座屈発生を防止している。

特許文献２のハイドロフォーミング方法は、ハイドロフォーミング工程前に、局部的に軟化処理や硬化処理を行い、成形品の形状に応じて素管の変形能を変化させておくことで、管体の割れ、しわ及び座屈発生を防止している。

特開２００５−２６２２４１号公報 特開２００１−１５００５０号公報

特許文献１に記載のハイドロフォーミング方法は、加工設備によっては、軸方向の押し込み量を変更している際に、内圧を変更できないものがある。この場合、軸方向の押し込み量と内圧との最適な負荷経路を選定できない可能性がある。
この場合、一旦、割れの生じない範囲で内圧を上げて、その内圧を一定に保ったまま、軸方向の押し込み量を所望の押し込み量まで増加させる。その際、座屈やしわが発生する場合があるが、軸方向の押し込みが所定量になった後、内圧を割れの生じない範囲でさらに上昇させて座屈やしわを除去している。
しかし、大きな座屈やしわは、内圧を上げても改善することができない場合がある。

特許文献２によると、管体の変形能を予め部分的に調整をしておくことで、上述したような、軸方向の押し込み量を変更している際に内圧を変更できない設備であっても、しわや座屈を生じにくくなるが、前処理に時間やコストがかかり、量産加工においては現実的ではない。

本発明は、割れ、座屈及びしわが発生しにくく、且つ実用的なハイドロフォーミング方法及びハイドロフォーミング装置を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するために、金型に設けられた加工空間に配置された管体に内圧を加えつつ、前記管体の軸方向の長さを縮小させる方向に前記管体を両端側から押圧することによって、前記管体の軸と直交する断面形状を変形させるハイドロフォーミング方法であって、前記ハイドロフォーミング方法は、少なくとも第１ハイドロフォーミング工程と、前記第１ハイドロフォーミング工程に続く第２ハイドロフォーミング工程とを有し、前記第１ハイドロフォーミング工程において、前記管体の軸方向と直交する断面の周長を第１長さに拡張し、前記第２ハイドロフォーミング工程において、前記管体の軸方向と直交する断面を、前記管体の前記第１長さの周長を維持しつつ変形させるハイドロフォーミング方法を提供する。

前記第２ハイドロフォーミング工程で前記管体に加える圧力は、前記第１ハイドロフォーミング工程で前記管体に加える圧力以下であることが好ましい。

前記第１ハイドロフォーミング工程において、前記管体は、前記軸方向と直交する断面形状が楕円に成形され、前記第２ハイドロフォーミング工程において、前記管体は、前記軸方向と直交する断面形状が矩形に成形されることが好ましい。

前記矩形の短辺は前記楕円の短径より短いことが好ましい。

前記矩形の長辺は前記楕円の長径以下であることが好ましい。

また、本発明は、上記課題を解決するために、管体が配置される第１加工空間が設けられた第１金型と、前記第１加工空間に配置された前記管体に内圧を加える第１加圧部と、前記第１加工空間に配置された前記管体を、前記管体の軸方向の長さを縮小させる方向に両端側から押圧する第１押圧部とを備える第１ハイドロフォーミング部と、前記管体が配置される第２加工空間が設けられた第２金型と、前記第２加工空間に配置された前記管体に内圧を加える第２加圧部と、を備える第２ハイドロフォーミング部と、を具備するハイドロフォーミング装置であって、前記第１加工空間の前記管体の軸方向と直交する断面の内周長は、前記第２加工空間の前記軸方向と直交する断面の内周長と等しい、
ハイドロフォーミング装置を提供する。

本発明によれば、割れ、座屈及びしわが発生しにくく、且つ実用的なハイドロフォーミング方法及びハイドロフォーミング装置を提供することができる。

第１実施形態によりハイドロフォーミングされる管体の断面形状であり、（ａ）は素管、（ｂ）は１次加工管、（ｃ）は２次加工管である。 第１実施形態の第１ハイドロフォーミング装置の軸方向に沿った断面図である。 第１実施形態の第１ハイドロフォーミング部の、第１中央空間が設けられている部分における、軸と直交する方向の概略断面図である。 第１実施形態の第２ハイドロフォーミング部の、第２中央空間が設けられている個所における、軸と直交する方向の概略断面図である。 ハイドロフォーミング方法を説明するフローチャートである。 縦軸を管体に加える内圧、横軸を押込み量としたときの、割れ限界線及びしわ座屈限界線を示したグラフである。 第１実施形態において、第１接触拡管率が異なる場合における、座屈の発生状態を測定した結果を示す表である。 第２実施形態のハイドロフォーミング方法及びハイドロフォーミング装置によりハイドロフォーミングされる管体の軸方向と直交する断面形状を示した図である。 第２実施形態における第１ハイドロフォーミング部の概略断面図であり、素管を点線で示す。 第２実施形態において、第１接触拡管率が異なる場合における、座屈の発生状態を測定した結果を示す表である。

（第１実施形態）
以下、図面を参照して本発明の第１実施形態による管体３０のハイドロフォーミング方法及びハイドロフォーミング装置１について説明する。

（管体３０）
図１は、第１実施形態のハイドロフォーミング方法及びハイドロフォーミング装置１によりハイドロフォーミングされる管体３０の軸方向と直交する断面形状を示した図である。
実施形態のハイドロフォーミング方法及びハイドロフォーミング装置１では、図１（ａ）で示す軸方向と直交する断面形状が円形の管体３０（素管３０ａ）から、図１（ｂ）で示す断面形状が楕円の管体３０（１次加工管３０ｂ）を経て、図１（ｃ）で示す断面形状が矩形の管体３０（２次加工管３０ｃ）を成形する。

図１（ａ）に示すように素管３０ａは、素管３０ａの軸Ａと直交する断面形状が径ａ１の円形である。また素管３０ａは電縫管であり、外周に軸Ａと平行なライン状の溶接部３１を有する。

図１（ｂ）に示すように１次加工管３０ｂ（両端を除く）は、軸Ａと直交する断面形状が略楕円形であり、短径はａ２、長径はｂ、周長はＬである。短径ａ２はａ１＜ａ２、長径ｂはａ１＜ａ２＜ｂである。
なお、短径ａ２は、径ａの素管３０ａが拡管されて、後述する第１金型１１の凹部１２ｕ、１２ｄ（第１中央空間Ｓ１ｍ）の内壁）と最初に接触する際の素管３０ａの径でもあり、そのときの素管３０ａの拡管率（以下、第１接触拡管率という）は１２．５％である。
また、本明細書で略楕円形とは、平面上のある２定点からの距離の和が一定となるような点の集合から作られる曲線である楕円（真楕円）に限るものではない。例えば、長径を挟んだ上下が対称で、短径を挟んだ左右が対称であるが、平面上のある２定点からの距離の和が一定でなく、真楕円から多少変形しているものも含む。

図１（ｃ）に示すように２次加工管３０ｃ（両端を除く）は、軸Ａと直交する方向の断面形状が略矩形で、短辺ａ３、長辺ｂ、周長はＬである。短辺ａ３はａ３＜ａ１＜ａ２、長辺ｂはａ１＜ａ２＜ｂである。すなわち、２次加工管３０ｃは、１次加工管３０ｂと周長Ｌが等しく、１次加工管３０ｂの長径ｂと長辺ｂの長さが等しい。

実施形態のハイドロフォーミング方法は、第１ハイドロフォーミング工程と、第２ハイドロフォーミング工程とを含む。第１ハイドロフォーミング工程は、素管３０ａを拡管し（膨張させ）、１次加工管３０ｂに成形する工程である。第２ハイドロフォーミング工程は、１次加工管３０ｂを２次加工管３０ｃに成形する工程である。

実施形態はこのように２段階のハイドロフォーミング工程を含む多段工程である。ただし、本発明のハイドロフォーミング方法が含むハイドロフォーミング工程は２段階に限らず３段階以上の多段工程であってもよい。又はハイドロフォーミング工程は１段階であってもよい。

（ハイドロフォーミング装置１）
ハイドロフォーミング装置１は、第１ハイドロフォーミング工程を行う第１ハイドロフォーミング部１０と、第２ハイドロフォーミング工程を行う第２ハイドロフォーミング部２０とを備える。

（第１ハイドロフォーミング部１０）
図２は第１ハイドロフォーミング装置１の軸Ａ方向に沿った断面図である。第１ハイドロフォーミング部１０は、第１金型１１と、軸押し部１５とを備える。第１金型１１は、第１下金型１１ｄと、第１下金型１１ｄに対して進退可能（近接及び離間可能）な第１上金型１１ｕと、を有する。
以下、適宜、軸Ａと直交し且つ第１上金型１１ｕが第１下金型１１ｄに対して進退する方向を上下方向、軸Ａの方向を前後方向、前後方向及び上下方向と直交する方向を左右方向として説明する。

（第１金型１１）
第１金型１１は、上述のように第１下金型１１ｄ及び第１上金型１１ｕを有する。第１金型１１は略直方体であるがこれに限定されず、管体３０の形状に合わせて種々変形可能である。

第１下金型１１ｄと第１上金型１１ｕとの互いの対向面には、それぞれ第１下凹部１２ｄと第１上凹部１２ｕとが設けられている。第１上凹部１２ｕと第１下凹部１２ｄとは互いに対向し、第１下金型１１ｄ上に第１上金型１１ｕが配置されると、第１上凹部１２ｕと第１下凹部１２ｄとで、管体３０が配置される第１加工空間Ｓ１が形成される。

（第１加工空間Ｓ１）
第１加工空間Ｓ１は、その中心の軸Ａ１が管体３０の軸Ａと一致し、軸Ａに沿うように延びている。実施形態において管体３０は直線的に延びるため、第１加工空間Ｓ１も直線的に延びている。しかし、第１加工空間Ｓ１は、管体３０の形状に対応して、Ｕ字型等種々変形可能である。

第１加工空間Ｓ１は、前空間Ｓ１ｆ及び後空間Ｓ１ｂと、前空間Ｓ１ｆ及び後空間Ｓ１ｂの間に位置する第１中央空間Ｓ１ｍとを有する。前空間Ｓ１ｆ及び後空間Ｓ１ｂは、軸Ａと直交する断面形状が円形であり、径は素管３０ａと同じ約ａ１である。

図３は、第１ハイドロフォーミング部１０の、第１中央空間Ｓ１ｍが設けられている部分における、軸Ａと直交する方向の概略断面図であり、素管３０ａを点線で示す。図示するように第１中央空間Ｓ１ｍは、１次加工管３０ｂと同様に軸Ａと直交する断面形状が略楕円形であり、短径（内径）は、１次加工管３０ｂの短径と略等しい約ａ２、長径（内径）は１次加工管３０ｂの長径と略等しい約ｂ、内周長は、１次加工管３０ｂの外周と略等しい約Ｌである。すなわち、成形完了後、１次加工管３０ｂの外壁は、第１中央空間Ｓ１ｍの内壁と当接する。

ただし、内圧等を調整することで、１次加工管３０ｂを、短径ａ２、長径ｂ、周長Ｌにすることができるのであれば、第１中央空間Ｓ１ｍの長径側の内壁と１次加工管３０ｂの外壁との間に隙間があってもよい。
さらに、１次加工管３０ｂを、短径ａ２、周長Ｌにすることができるのであれば、長径（内径）はｂ以下であってもよい。
なお、１次加工管３０ｂの長径がｂ以上になると、次の第２ハイドロフォーミング部２０の第２中央空間Ｓ２ｍに配置することができないので、１次加工管３０ｂの長径はｂより大きくならないようにする。

（第１軸押し部１５）
ハイドロフォーミング装置１は、さらに第１軸押し部１５を備える。第１軸押し部１５は、第１加工空間Ｓ１の前後に設けられた一対の部材である。一対の第１軸押し部１５は、それぞれが前空間Ｓ１ｆ及び後空間Ｓ１ｂ内を前後に進退可能で、管体３０の軸方向に押し込んで管体３０の長さを縮小させる方向に、管体３０を両端側から押圧する。
第１軸押し部１５には、それぞれ前後に延びる貫通孔１６が設けられている。その貫通孔１６を介して、例えば水である加圧用流体が管体３０の内部に流入可能となっている。

（第２ハイドロフォーミング部２０）
図４は、第２ハイドロフォーミング部２０の、第２中央空間Ｓ２ｍが設けられている個所における、軸Ａと直交する方向の概略断面図である。
第２ハイドロフォーミング部２０の加工空間である第２加工空間Ｓ２の第２中央空間Ｓ２ｍの形状が、第１加工空間Ｓ１の第１中央空間Ｓ１ｍと異なっている。
第２加工空間Ｓ２の第２中央空間Ｓ２ｍの、軸Ａと直交する方向の断面形状は、２次加工管３０ｃと同様に略矩形で、短辺は約ａ３、長辺は約ｂ、周長は約Ｌである。短辺ａ３はａ３＜ａ１＜ａ２、長辺ｂはａ１＜ａ２＜ｂである。

（第２金型２１）
第２金型２１は、第２下金型２１ｄ及び第２上金型２１ｕを有する。
第２下金型２１ｄは略直方体で、上部に軸Ａに沿った第２下凹部２２ｄが形成されている。第２上金型２１ｕは、第２下凹部２２ｄに挿入可能な略直方体形状である。

第２下凹部２２ｄの底面と第２上金型２１ｕの下面とは互いに対向し、第２下凹部２２ｄに第２上金型２１ｕが挿入されて、第２下金型２１ｄの上面と第２上金型２１ｕの上面とが同じ高さになると、第２下凹部１２ｄの内面と第２上金型２１ｕの下面とで、管体３０が配置される第２加工空間Ｓ２が形成される。

（製造方法）
次に、実施形態のハイドロフォーミング装置１を用いた、管体３０のハイドロフォーミング方法について説明する。図５はハイドロフォーミング方法を説明するフローチャートである。

（第１ハイドロフォーミング工程）
まず、素管３０ａを、第１ハイドロフォーミング部１０の第１下金型１１ｄの第１下凹部１２ｄ上に配置する（ステップＳ１）。この際、管体３０の溶接部３１が、第１中央空間Ｓ１ｍの短径方向の上にくるようにする。管体３０の外周における溶接部３１と軸Ａを挟んだ反対側の部分３２は、第１中央空間Ｓ１ｍの短径方向の下となる。
このとき、素管３０ａの前後の端部は、前空間Ｓ１ｆ及び後空間Ｓ１ｂの下部を構成する第１下凹部１２ｄの前端部と後端部上に載置される。素管３０ａの中央部は、第１中央空間Ｓ１ｍの下部を構成する第１下凹部１２ｄの底面とは接しておらず、浮いた状態である。

次いで、第１上金型１１ｕを第１下金型１１ｄ側に下降させ、第１上金型１１ｕの上面と第１下金型１１ｄの下面とを接触させて、第１上金型１１ｕを第１下金型１１ｄの方向へ押圧する（ステップＳ２）。
第１加工空間Ｓ１に配置された素管３０ａの前後の端部は、前空間Ｓ１ｆ及び後空間Ｓ１ｂ内に配置され、第１下金型１１ｄと第１上金型１１ｕとで挟持される。
一方、素管３０ａの中央部は、第１中央空間Ｓ１ｍ内に配置されているが、第１下金型１１ｄと第１上金型１１ｕとは接していない。

一対の軸押し部１５をそれぞれ素管３０ａの両端に接触させて、貫通孔１６より流体を流し込み、素管３０ａ内部を加圧する（ステップＳ３）。

素管３０ａの内部が加圧された状態で、一対の軸押し部１５を互いに近づく方向に移動させ、すなわち素管３０ａを収縮させる（ステップＳ４）。
ここで素管３０ａは第１ハイドロフォーミング工程の初期段階において、断面円形を保ったまま径を拡大していく。そして溶接部３１と、溶接部３１と軸Ａを挟んだ反対側の部分３２は、素管３０ａの拡管率が第１接触拡管率の１２．５％になったときに、第１金型１１の凹部１２ｕ、１２ｄの内壁と接触する。
その後、溶接部３１と軸Ａを挟んだ反対側の部分３２との間の距離はａ２に保たれたまま、それと直交する方向の距離が拡大し続け楕円形となり、長径がｂになったところで第１金型１１の凹部１２ｕ、１２ｄの内壁と接触する。これにより、素管３０ａは断面楕円、短径ａ１、長径ｂの１次加工管３０ｂに成形される。
なお、本実施形態では、第１接触拡管率は１２．５％であるが、これに限らず、１４％以下であればよい。

ここで、図６は、縦軸を管体３０に加える内圧、横軸を押込み量（管体３０の収縮量）としたときの、割れ限界線Ｗ及びしわ座屈限界線Ｓを示したグラフである。割れ限界線Ｗは、管体３０の内圧と軸押し込み量の関係が、この割れ限界線Ｗ以上になった場合に、管体３０に割れが発生するラインである。
しわ座屈限界線Ｓは、管体３０の内圧と軸押し込み量の関係が、このしわ座屈限界線Ｓ以下になった場合に、管体３０にしわ及び座屈が発生するラインである。しわ座屈限界線Ｓは、管体３０の収縮量が少ない領域ではしわ限界線Ｓｓと座屈限界線Ｓｚに分岐している。

管体３０の断面形状を所望の形状にハイドロフォーミングするには、管体３０に内圧を加えて拡管（膨張）させる。管体３０の壁厚は、拡管させると減少するので、拡管が進んで壁厚が薄くなると、割れや亀裂が発生する可能性がある。
しかし、管体３０を軸押し部１５により軸Ａ方向に押圧して、管長を収縮させることにより、管体３０の材料が拡管部分に移動され、拡管による壁厚の減少が低減、又は防止され、これにより割れ等の発生の可能性が低減される。

ところで、管体３０を所望の形状に変形させるには、所定の内圧、所定の軸押し込み量が必要となる。図６において、例えば点Ｐの位置が、その所定内圧と所定軸押し込み量の場合、管体３０を内圧０及び軸押し込み量０の状態点Ｏから点Ｐの状態にする必要がある。
点Ｏから点Ｐの状態に遷移させるとき、しわ座屈限界線Ｓと割れ限界線Ｗとの間の図中斜線で示す領域Ｒから逸脱せずに状態が変化するように軸押し込み量及び内圧を調整していくことが好ましい。斜線の中からはみ出ると、割れが発生したり、しわや座屈が生じやすくなったりするからである。

しかし、ハイドロフォーミング装置１によっては、軸押し込み量を変更することと、内圧を変えることを同時に行うことができない装置がある。その場合、領域Ｒからはみ出ずに、点Ｏから点Ｐに状態を変化させるには以下の方法が考えられる。

領域Ｒからはみ出さない範囲で内圧を上げて、その内圧で軸押し込み量を増加させ、領域Ｒからはみ出しそうになったら、押し込みを停止して、領域Ｒからはみ出さない範囲でさらに内圧を上げる、というステップを何回か繰り返す方法である。
しかし、この場合、ハイドロフォーミング装置１の操作が煩雑になり、作業時間がかかり効率的でない。

このため一点鎖線Ｍで示すように、一旦領域Ｒからはみ出さない範囲で内圧を上げて、その内圧で軸押し込み量を増加させる。押し込み量を増加させている最中に領域Ｒからはみ出すが、そのまま軸押し込み量を増加し続け、所定の軸押し込み量になったら、再度内圧を上げる方法もある。このとき、しわ座屈限界線を超えるのでしわが発生するが、最後に再度内圧を所定値まで上げる際にある程度のしわを取ることができる。
しかし、この方法だと、座屈やしわが大きい場合、発生した座屈やしわを取りきれない可能性がある。座屈やしわが残ると製品として利用できず、歩留まりが悪化する。

そこで、実施形態の第１ハイドロフォーミング工程は、第１金型１１に設けられた第１加工空間Ｓ１に配置された素管３０ａに内圧を加えて拡管させつつ、素管３０ａの軸Ａ方向の長さを縮小させる方向に管体３０を軸押し部１５によって両端側から押圧することによって、素管３０ａの軸と直交する断面形状を変形させる。
そして素管３０ａの外周における、軸Ａと平行な、ライン状の溶接部３１と、その溶接部３１と軸Ａを挟んだ反対側のライン状の部分とを、素管３０ａの拡管過程において、他の部分よりも早期に第１金型１１に接触させる。
すなわち、実施形態の第１ハイドロフォーミング部１０の第１加工空間Ｓ１は略楕円であるので、溶接部３１と反対側のライン状部分３２との互いの間の距離が広がらないように、素管３０ａが第１金型１１に保持される。

そうすると、管体３０がさらに拡管し続けても、溶接部３１と反対側の部分３２との互いの間の距離はこれ以上広がらず、管体３０はそれと直交する横方向に延びていくので、管体３０は楕円になる。
さらに管体３０の軸押し込み量を増加していくと、図６のグラフのしわ座屈限界線Ｓの下方領域に入り、若干のしわが発生する可能性がある。
しかし、管体３０の溶接部３１が第１上凹部１２ｕの内面、溶接部３１と径方向の反対側のライン状の部分が第１下凹部１２ｄの内面と当接して押さえられているため、管体３０に座屈が発生しにくい。

また、管体３０が、長手方向の継目部を電気抵抗溶接により接合して成形した電縫鋼管の場合、溶接部３１近傍は変形しにくい。したがって拡管していくと他の部分よりも早い段階で割れが発生する可能性が高い。
しかし、実施形態ではこの溶接部３１が拡管過程において早期に金型と接触して押圧されて拡管しにくくなるので、溶接部３１に割れが生じにくい。

また、本実施形態によると、管体３０に内圧を加えると、管体３０は拡管（膨張）し始める。この状態で、軸押し部１５によって管体３０を軸Ａ方向に収縮させていくと、管体３０は径方向に膨張するが、長さ方向に収縮することによって、管壁の厚さの減少が補われ、管体３０の割れ等が生じにくい。

ここで、第１実施形態の効果を検証するために、第１実施形態に係るハイドロフォーミング装置１の第１ハイドロフォーミング部１０として、第１中央空間Ｓ１ｍの短径と長径とが異なる３つの第１ハイドロフォーミング部１０を実施例１、実施例２、実施例３として用意した。
実施例１、実施例２、実施例３における第１中央空間Ｓ１ｍの短径は、素管３０ａが円形を保ったまま１４％，６．６％，０％拡管した場合の素管３０ａの直径と等しい。
すなわち、第１中央空間Ｓ１ｍの短径は、素管３０ａの第１接触拡管率が本実施形態の範囲である１４％以下（１４％，６．６％，０％）となる長さである。
また、比較例として、第１接触拡管率が２１％の第１ハイドロフォーミング部も用意した。

それぞれの第１ハイドロフォーミング部を用いて、素管３０ａを拡管し、座屈が発生したかどうかを測定した。第１接触拡管率以外の条件は以下である。
素管：外径φ２７ｍｍ，厚み１．５ｍｍ，長さ２５０ｍｍ
第１中央空間Ｓ１ｍ：周長１１０ｍｍ
経路Ｇ＝内圧増加分（ＭＰａ）／軸押込み量（ｍｍ）＝１．０

図７は、第１実施形態において、第１接触拡管率が異なる場合における、座屈の発生状態を測定した結果を示す表である。図７に示すように、比較例の拡管率が２１％においては座屈が発生した。一方、本実施形態に係る実施例１、実施例２、実施例３においては座屈が発生しなかった。
以上の結果より、本実施形態のように第１中央空間Ｓ１ｍの短径が、素管３０ａの第１接触拡管率が本実施形態の範囲である１４％以下（１４％，６．６％，０％）となる長さの場合、管体３０に座屈が発生しにくいことがわかる。

図５のフローチャートに戻り、管体３０を所定の軸押し込み量まで押し込んだら内圧を上げる（ステップＳ５）。これにより、若干のしわが発生していたとしても、大きな座屈を伴うものでない為、しわが消滅する。
最終的に、管体３０が短径ａ２、長径ｂ、周長Ｌの１次加工管３０ｂになったら第１ハイドロフォーミング工程を終了する。

（第２ハイドロフォーミング工程）
次いで、第１ハイドロフォーミング工程により成型された、短径ａ２、長径ｂ、周長Ｌの楕円の１次加工管３０ｂを、第２ハイドロフォーミング部２０の第２下金型２１ｄの第２下凹部２２ｄ内に配置する（ステップＳ６）。

このとき、１次加工管３０ｂの（両端を除く部分）の溶接部３１と軸Ａを挟んだ反対側のライン状部分３２は、第２下金型２１ｄの第２下凹部２２ｄに配置されたときに、第２下凹部２２ｄの底面と接している。

この状態で、１次加工管３０ｂの両端より、１次加工管３０ｂの両端を抑える軸押さえ部25に設けられた貫通孔２６より流体を流入して１次加工管３０ｂの内部を加圧する（ステップＳ７）。ここで、第２ハイドロフォーミング工程で１次加工管３０ｂに加える圧力は、第１ハイドロフォーミング工程で素管３０ａに加えた圧力以下である。

第２上金型２１ｕを下降させて第２下金型２１ｄの第２下凹部１２ｄ内に挿入する。そして、第２上金型２１ｕの下面と、第２下凹部１２ｄの底面が互いに近づく方向に押圧力を加える。そうすると、まず、溶接部３１が第２上金型２１ｕの下面と接触し、長径方向一定で、短径方向の長さが押圧により縮小する。そして、短径方向の長さが縮小した分だけ、第２加工空間Ｓ２の形状に合わせて角部が膨らみ、矩形に変形を開始する（ステップＳ８）。
このとき、上述のように、第２ハイドロフォーミング工程で管体３０に加える圧力は、第１ハイドロフォーミング工程で管体３０に加える圧力以下である。したがって、管体３０は、周長Ｌは増加しないが、金型間に挟持されて押圧されたときに、外周が歪まず、矩形の角部が変形なく角部が形成される。

第２下凹部２２ｄに第２上金型２１ｕが挿入されて、第２下金型２１ｄの上面と第２上金型２１ｕの上面とが同じ高さになると、第２下凹部１２ｄの内面と第２上金型２１ｕの下面とによって、断面矩形の２次加工管３０ｃが形成され、図６のフローチャートは終了する。この２次加工管３０ｃは、軸Ａと直交する方向の断面形状が略矩形で、短辺ａ３、長辺ｂ、矩形の周長はＬである。短辺ａ３はａ３＜ａ１＜ａ２、長径ｂはａ１＜ａ２＜ｂである。加工空間の長辺は、１次加工管３０ｂの長辺と等しくｂである。周長は変わらずＬである。

このように、実施形態では、径ａ１の断面円形の素管３０ａを、短径ａ２、長径ｂ、周長Ｌの断面略楕円の１次加工管３０ｂにしてから、その短径の長さをａ３に縮小して短辺ａ３、長辺ｂ、周長Ｌの断面略矩形の２次加工管３０ｃにする。すなわち、周長Ｌを保ったまま、楕円から角部が成形されて矩形になる。
仮に、第２ハイドロフォーミング工程において、断面形状を最終形状にするだけでなく周長Ｌを延ばすための拡管（膨張）が必要となると、管体３０の外周における多くの部分が第２中央空間Ｓ２ｍの内壁で押さえられた状態で、膨張が必要となる。管体３０を膨張する場合、管壁の厚み減少を防止するため、軸押し部の押圧による管長の縮小が必要となる。

しかし、ハイドロフォーミング加工を複数回行う多段工程での成形の場合、後工程になるにつれて金型との接触面積が増加する。本実施形態では、第１ハイドロフォーミング工程による１次加工管３０ｂの形成時と比べて、第２ハイドロフォーミング工程においては、金型との管体３０との接触面積が増加する。

そうすると、管体３０を軸方向に押し込んでも、金型１１との摩擦によって材料供給がされにくくなり、材料供給がされない状態で塑性変形を起こす内圧まで圧カを上昇させると、角部だけが膨張した肉薄の張り出し成形となって割れが発生しやすくなる。

しかし、実施形態によると、金型１１との接触が少ない第１ハイドロフォーミング工程の段階で、最終製品に必要な線長Ｌを確保し、その後の第２ハイドロフォーミング工程では、座屈防止や外金型への密着性確保のためだけに内圧を付与し、周長Ｌの増加が起こらない圧力下で形状を変形させる。すなわち、第２工程で線長を増加させない。したがって、割れ等が生じにくい。

また、第２ハイドロフォーミング工程においても、溶接部３１が拡管過程において早期に金型１１と接触するので、溶接部３１における割れが生じにくい。
素管：外径φ２７ｍｍ，厚み１．５ｍｍ，長さ２５０ｍｍ
第１中央空間Ｓ１ｍ：内径φ３５ｍｍ，周長１１０ｍｍ
経路Ｇ＝内圧増加分（ＭＰａ）／軸押込み量（ｍｍ）＝１．０

（第２実施形態）
次に、図面を参照して本発明の第２実施形態による管体３０のハイドロフォーミング方法及びハイドロフォーミング装置１について説明する。なお、第１実施形態と第２実施形態において、同様の部分には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

図８は、第２実施形態における、ハイドロフォーミング方法及びハイドロフォーミング装置１によりハイドロフォーミングされる管体３０の、軸Ａ方向と直交する断面形状を示した図である。第２実施形態のハイドロフォーミング方法及びハイドロフォーミング装置１では、図８（ａ）で示す軸Ａ方向と直交する断面形状が円形の管体３０（素管３０ａ）から、図８（ｂ）で示す断面形状が円形の管体３０（１次加工管３０ｂ）を経て、図８（ｃ）で示す断面形状が矩形の管体３０（２次加工管３０ｃ）を成形する。

第２実施形態が第１実施形態と異なる点は、図８（ｂ）で示す管体３０（１次加工管３０ｂ）の断面形状が、楕円ではなく円形である点である。１次加工管３０ｂ（両端を除く）の径はａ２で、本実施形態においても、２次加工管３０ｃは、１次加工管３０ｂと周長Ｌが等しい。

図９は、第１ハイドロフォーミング部１０の、第１中央空間Ｓ１ｍが設けられている部分における、軸Ａと直交する方向の概略断面図であり、素管３０ａを点線で示す。
図示するように第２実施形態の第１中央空間Ｓ１ｍは、第１実施形態と異なり、１次加工管３０ｂと同様に軸Ａと直交する断面形状が円形であり、内周長は、１次加工管３０ｂの外周と略等しい約Ｌである。成形完了後、１次加工管３０ｂの外壁は、第１中央空間Ｓ１ｍの内壁と当接する。

また、第１実施形態では、素管３０ａの軸Ａと、第１中央空間Ｓ１ｍの中心軸のＡ１とは一致していた。しかし、第２実施形態では、素管３０ａの、拡管前の軸Ａと、第１中央空間Ｓ１ｍの中心軸のＡ１とは、互いに平行であるが、一致せず、Δｃだけ、ずれた位置にある。

ずれている距離Δｃは、第１中央空間Ｓ１ｍの内径φｒ、素管３０ａの外径φｓ、としたときに、
Δｃ＝φｒ／２―（１+ｘ／１００）φｓ／２
である。
ここで、ｘは、第１接触拡管率（％）である。

本実施形態では、素管３０ａの拡管率が１４％になったときに、素管３０ａのライン状の溶接部３１は第１中央空間Ｓ１ｍの内面と最初に当接する。そして、その後、素管３０ａは拡管を続け、最終的に、素管３０ａはその径が第１中央空間Ｓ１ｍの内径と一致するまで拡管する。
なお、本実施形態では、第１接触拡管率は１４％であるが、第１実施形態と同様に、これに限らず、１４％以下であればよい。

本実施形態においても、第１ハイドロフォーミング工程は、第１金型１１に設けられた第１加工空間Ｓ１に配置された素管３０ａに内圧を加えて拡管させつつ、素管３０ａの軸Ａ方向の長さを縮小させる方向に管体３０を軸押し部１５によって両端側から押圧することによって、素管３０ａの軸と直交する断面形状を変形させる。
そして素管３０ａの外周における、軸Ａと平行なライン状の溶接部３１を、素管３０ａの拡管過程において、他の部分よりも早期に第１金型１１に接触させる。

そうすると、管体３０がさらに拡管し続ける際に、溶接部３１が拡管過程において早期に金型と接触して押圧されて拡管しにくくなるので、溶接部３１に割れが生じにくい。また、溶接部３１が押さえられているので、座屈も発生しにくくなる。

ここで、第２実施形態の効果を検証するために、第１実施形態に係るハイドロフォーミング装置１の第１ハイドロフォーミング部１０として、第１中央空間Ｓ１ｍの短径と長径とが異なる３つの第１ハイドロフォーミング部１０を実施例１、実施例２、実施例３として用意した。
実施例１、実施例２、実施例３の第１中央空間Ｓ１ｍの径は、素管３０ａが円形を保ったまま１４％，６．６％，０％拡管した場合の素管３０ａの径と等しい。
すなわち、第１中央空間Ｓ１ｍの径は、素管３０ａの第１接触拡管率が本実施形態の範囲である１４％以下（１４％，６．６％，０％）となる長さである。
また、比較例１，２として、第１接触拡管率が２９％と２１％の第１ハイドロフォーミング部も用意した。

そして、それぞれの第１ハイドロフォーミング部を用いて、素管を拡管し、座屈が発生したかどうかを測定した。
第１接触拡管率以外の条件は、第１実施形態と同様に以下である。
素管：外径φ２７ｍｍ，厚み１．５ｍｍ，長さ２５０ｍｍ
第１中央空間Ｓ１ｍ：内径φ３５ｍｍ，周長１１０ｍｍ
経路Ｇ＝内圧増加分（ＭＰａ）／軸押込み量（ｍｍ）＝１．０

図１０は、第２実施形態において、第１接触拡管率が異なる場合における、座屈の発生状態を測定した結果を示す表である。図１０に示すように、比較例の拡管率が２９％，２１％においては座屈が発生した。一方、本実施形態に係る実施例１，２，３の第１接触拡管率が１４％以下の場合、座屈が発生しなかった。

以上、第２実施形態においても、第１実施形態と同様に、第１ハイドロフォーミング工程は、第１金型１１に設けられた第１加工空間Ｓ１に配置された素管３０ａに内圧を加えて拡管させつつ、素管３０ａの軸Ａ方向の長さを縮小させる方向に管体３０を軸押し部１５によって両端側から押圧することによって、素管３０ａの軸と直交する断面形状を変形させる。
そして素管３０ａの外周における、軸Ａと平行な、ライン状の溶接部３１を、素管３０ａの拡管過程において、他の部分よりも早期に第１金型１１に接触させる。

そうすると、管体３０がさらに拡管し続けても、管体３０の溶接部３１が第１上凹部１２ｕの内面と当接して押さえられているため、管体３０に座屈が発生しにくい。

また、管体３０が、長手方向の継目部を電気抵抗溶接により接合して成形した鋼管電縫鋼管の場合、溶接部３１近傍は変形しにくい。したがって拡管していくと他の部分よりも早い段階で割れが発生する可能性が高い。
しかし、実施形態ではこの溶接部３１が拡管過程において早期に金型と接触して押圧されて拡管しにくくなるので、溶接部３１に割れが生じにくい。

また、本実施形態によると、管体３０に内圧を加えると、管体３０は拡管（膨張）し始める。この状態で、軸押し部１５によって管体３０を軸Ａ方向に収縮させていくと、管体３０は径方向に膨張するが、長さ方向に収縮することによって、管壁の厚さの減少が補われ、管体３０の割れ等が生じにくい。

さらに、第２実施形態においても、径ａ１の断面円形の素管３０ａを、径ａ２、周長Ｌの断面円形の１次加工管３０ｂにしてから、短辺ａ３、長辺ｂ、周長Ｌの断面略矩形の２次加工管３０ｃにする。すなわち、周長Ｌを保ったまま、楕円から角部が成形されて矩形になる。
したがって、第１実施形態と同様に、実施形態によると、金型１１との接触が少ない第１ハイドロフォーミング工程の段階で、最終製品に必要な線長Ｌを確保し、その後の第２ハイドロフォーミング工程では、座屈防止や外金型への密着性確保のためだけに内圧を付与し、塑性変形が起こらない圧力下で形状を変形させる。すなわち、第２工程で線長を増加させない。したがって、割れ等が生じにくい。

Ａ 軸
Ｓ１ 第１加工空間
Ｓ１ｍ 第１中央空間
Ｓ２ 第２加工空間
Ｓ２ｍ 第２中央空間
１０ 第１ハイドロフォーミング部
１１ 第１金型
１１ｄ 第１下金型
１１ｕ 第１上金型
１２ｄ 第１下凹部
１２ｕ 第１上凹部
１５ 第１軸押し部
１６ 貫通孔
２０ 第２ハイドロフォーミング部
２１ｄ 第２下金型
２１ｕ 第２上金型
２２ｄ 第２下凹部
３０ 管体
３０ａ 素管
３０ｂ １次加工管
３０ｃ ２次加工管
３１ 溶接部
３２ ライン状部分

Claims (6)

1. 金型に設けられた加工空間に配置された管体に内圧を加えつつ、前記管体の軸方向の長さを縮小させる方向に前記管体を両端側から押し込むことによって、前記管体の軸と直交する断面形状を変形させるハイドロフォーミング方法であって、
   前記ハイドロフォーミング方法は、少なくとも第１ハイドロフォーミング工程と、前記第１ハイドロフォーミング工程に続く第２ハイドロフォーミング工程とを有し、
   前記第１ハイドロフォーミング工程は、
   前記管体を、第１金型の第１中央空間内に配置し、前記管体の内部を第１の内圧にする加圧ステップと、
   前記管体の押し込み量を増加させつつ、前記管体を拡管させて、前記管体の前記軸を挟んだ両側の部分を、前記第１金型の前記第１中央空間の内壁と接触させ、前記両側の部分を前記内壁と当接させて押さえることにより、前記両側の部分の間の距離を一定に保ったまま、前記第１の内圧で前記押し込み量を増加させ、前記軸を挟んだ両側を結ぶ方向と直交する方向の距離を拡大させて前記管体の断面を楕円形にする押圧ステップと、
   前記押し込み量が所定量になった後、前記管体の内部を前記第１の内圧以上の第２の内圧にする内圧上昇ステップと、を含み、
   前記管体の状態は、
   前記加圧ステップにおいて、前記管体の内部を前記第１の内圧にする際、縦軸を前記管体に加える内圧、横軸を前記管体の押込み量としたときの、割れ限界線Ｗ及びしわ座屈限界線Ｓを示したグラフにおける、しわ座屈限界線Ｓと割れ限界線Ｗとの間の領域からはみ出さない範囲内に入り、
   前記押圧ステップにおいて、前記しわ座屈限界線Ｓの下方領域に入るように前記領域から一旦はみ出し、
   前記内圧上昇ステップにおいて、再度、前記領域に入り、
   前記第２ハイドロフォーミング工程において、前記管体の軸方向と直交する断面を、前記管体の周長を維持しつつ変形させる、
   ハイドロフォーミング方法。
2. 前記管体は電縫鋼管で、
   前記管体の前記軸を挟んだ両側の部分の一方は溶接部である、
   請求項１に記載のハイドロフォーミング方法。
3. 前記第２ハイドロフォーミング工程で前記管体に加える圧力は、
   前記第１ハイドロフォーミング工程で前記管体に加える圧力以下である、
   請求項１または２に記載のハイドロフォーミング方法。
4. 前記第１ハイドロフォーミング工程において、前記管体は、前記軸方向と直交する断面形状が楕円に成形され、
   前記第２ハイドロフォーミング工程において、前記管体は、前記軸方向と直交する断面形状が矩形に成形される、
   請求項１から３のいずれか１項に記載のハイドロフォーミング方法。
5. 前記矩形の短辺は前記楕円の短径より短い、
   請求項４に記載のハイドロフォーミング方法。
6. 前記矩形の長辺は前記楕円の長径以下である、
   請求項４または５に記載のハイドロフォーミング方法。

Images