JPWO2008130055A1 - ハイドロフォーム加工方法 - Google Patents
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Abstract
Description
しかし、自動車用部品は車内の狭い空間内に配置されるので、金属管は直管のままで使われることが少なく、殆ど、二次加工が施された後に自動車に取付けられる。二次加工としては曲げ加工が最も多いが、近年の自動車部品形状の複雑化に伴い、ハイドロフォーム加工(金属管を金型内に装着した状態で内圧と軸方向圧縮を用いて金型形状に仕上げる加工)も増加しており、さらにそれらの加工を重畳した加工も増えている。ハイドロフォーム加工自体も図1に示すように(塑性と加工,Vol.45,No.524(2004),715頁より引用)に示されるように、単純なT成形から比べると、近年では部品形状が複雑化し、拡管率(素管の周長に対する製品管の周長の比、同図ではExpansion ratioと記述)も増加してきた。
拡管率の大きなハイドロフォームを行う方法としては、例えば特開2002−153917号公報に記載のように、可動金型を用いて高枝管高さを有するハイドロフォーム成形品を得る加工法がある。但し、この方法ではT成形のように、或る一方向にのみ拡管する場合の形状しか適用できない。
また、特開2002−100318号公報では、或る一方向に拡管した後でこの方向と直角方向に拡管する方法である。この方法を用いると、或る一方向だけでなく、全体的に拡管されたハイドロフォーム成形品を得ることができる。但し、単純な長方形断面への拡管なら容易に適用可能であるが、複雑な断面形状の場合は、更に詳細形状を仕上げるためのハイドロフォーム工程が必要となり、合計3工程のハイドロフォーム加工が必要になる。
曲げ加工とハイドロフォーム加工の両方の加工を行う場合、一般的には曲げ加工を実施した後にハイドロフォーム金型に装着してハイドロフォーム加工するが、この方法では曲げ部の拡管率を大きくすることが困難である。そこで、ハイドロフォーム加工した後に曲げ加工する方法も例えば特開2002−219525号公報で提案されている。この方法は、第1工程のハイドロフォーム加工で全体的に拡管した後、第2工程で内圧を負荷しながら曲げ加工し、最後に第3工程で曲げ方向と直角方向に潰しながらハイドロフォーム加工する方法である。この方法を用いれば、曲げ加工してからハイドロフォーム加工する一般的な方法に比べて、曲げ部の拡管率を大きくすることが可能になる。しかし、その拡管率の限界は、第1工程のハイドロフォーム加工の限界値で制限され、この方法のように全体的に拡管させるハイドロフォーム加工では、あまり大きな拡管率が期待できない。
その他、特願2006−006693号公報のように、ハイドロフォーム加工した後に回転引き曲げ加工する方法も提案されている。但し、当該方法では、曲げ加工方法として回転引き曲げ加工のみを対象としているため適用範囲は限られる。
そこで、本発明は、拡管率が大きくて複雑な形状のハイドロフォーム成形品をハイドロフォーム2工程で加工する方法を提供する。また、曲げ加工とハイドロフォーム加工が重畳される場合でも、従来は困難であった曲げ部の拡管率が大きな場合の成形品を得るための方法を提供する。
本発明は上述した課題を解決するためになされたもので、その要旨とするところは下記の通りである。
(1)金属管を分割した金型に装着し、型締めした後で前記金属管に内圧と管軸方向押し込み力を負荷するハイドロフォーム加工方法において、第1ハイドロフォーム工程で、前記金属管断面の一方向に前記金属管を拡管させて、管軸方向の拡管部の全部において、製品形状の周長の90%以上100%以下の周長を有し、かつ前記一方向で少なくとも管軸方向の一部において、製品の高さより高い中間製品とした後、第2ハイドロフォーム工程で、管軸方向の全部又は一部において、前記中間製品の前記一方向の高さを減じながら最終製品形状に成形することを特徴とするハイドロフォーム加工方法。
(2)金属管の断面の曲率半径と、前記一方向における中間製品の断面の曲率半径が略等しいことを特徴とする前記(1)記載のハイドロフォーム加工方法。
(3)金属管の軸方向に移動自在な可動金型又は金属管の軸方向に直角な方向に移動自在なカウンターパンチを用いて、中間製品に成形することを特徴とする前記(1)又は(2)記載のハイドロフォーム加工方法。
(4)第1ハイドロフォーム工程と第2ハイドロフォーム工程の間に、中間製品を管軸方向に曲げる工程を加えることを特徴とする前記(1)、(2)又は(3)記載のハイドロフォーム加工方法。
尚、本発明(2)で、曲率半径が略等しいとは、素管(金属管)の曲率半径に対し、中間製品の断面の曲率半径が90〜110%の範囲にあることを言う。
図2は、本発明における、製品形状を元に中間製品形状を設計する方法の説明図を示す図である。(a)は断面形状を示し、(b)は側面形状を示す。
図3は、図2において中間製品の形状の設計において、最終製品の形状を周長と、中間製品の形状の周長を示す図である。
図4は本発明における、製品形状を元に中間製品形状を設計する方法の説明図を示す図である。(a)は断面形状を示し、(b)は側面形状を示す。
図5(a)、(b)、(c)は、本発明における第1ハイドロフォーム工程の説明図を示す。
図6は、本発明における第2ハイドロフォーム工程の説明図を示す図である。
図7(a)、(b)は、本発明における各種形状の中間製品に加工するための第1ハイドロフォーム工程の説明図を示す図である。
図8は、曲げ加工を含む場合の本発明の加工方法の説明図を示す図である。
図9は、図8に続く曲げ加工を含む場合の本発明の加工方法の説明図を示す図である。
図10は、図9に続く曲げ加工を含む場合の本発明の加工方法の説明図を示す図である。
図11は、製品形状を元に中間製品形状を設計する実施例の説明図を示す図である。(a)は断面形状を示し、(b)は側面形状を示す。
図12は、図11において中間製品の形状の設計において、最終製品の周長と、中間製品の形状の周長を示す図である。
図13は、本発明における製品形状を元に中間製品形状を設計する方法の説明図を示す図である。(a)は断面形状を示し、(b)は側面形状を示す。
図14は、第1ハイドロフォーム工程と第2ハイドロフォーム工程の実施例の説明図を示す図である。
図15は、図14に続くハイドロフォーム工程の実施例の説明図を示す図である。
図16は、曲げを含んだ形状の場合の、製品形状を元に中間製品形状を設計する実施例の説明図を示す図である。(a)は断面形状を示し、(b)は側面形状を示す。
図17は、図16において、中間製品の形状の設計において、最終製品の製品形状の周長と、中間製品の形状の周長を示す図である。
図18は、曲げを含んだ形状の場合の、製品形状を元に中間製品形状を設計する別の実施例の説明図を示す図である。(a)は断面形状を示し、(b)は側面形状を示す。
図19は、曲げ加工を含む場合の各工程の実施例の説明図を示す図である。
図20は、図19で示す工程に続く各工程の実施例の説明図を示す図である。
図2(a)、(b)は、最終的に必要な製品形状の側面図(X−Y平面)、上面図(X−Z平面)、及び各断面図(Y−Z平面)を示している。当該形状の製品を外径2r(半径r)の管材からハイドロフォーム加工で製造しようとした場合、断面A−Aから断面G−Gの範囲を図のように複雑な形状に拡管しなくてはならない。一般にハイドロフォーム加工では、管内部の内圧と両管端からの軸押し込みによって複雑形状に拡管するが、当該形状のようにY方向とZ方向の両方に拡管する場合は非常に成形が困難となる。特に、成形性の低い材料(n値、r値、伸び等の低い材料)や拡管率の大きい形状では難しく、成形が不可能となる場合もある。
このような場合、従来は、加工工程を複数に分けて徐々に拡管率を増加させることが行われてきた。例えば、素管の周長Laから最終製品形状の周長Lcまで拡管したい場合、中間製品形状の周長LbをLaとLcの中間程度の値(例えば、(La+Lc)/2)に設定して2工程に分けて拡管する。形状的にも素管と最終製品形状の中間程度の形状に中間製品の形状を設定するのが一般的であった。しかし、第1ハイドロフォーム工程において、素管の周長Laから中間製品形状の周長Lbに拡管する時点で、既に加工硬化が付与されるため、第2ハイドロフォーム工程の前に加工歪を除去するための熱処理が必要となり、コスト的にも生産効率的にも非常に不利となる。また、熱処理しない方法としては、特開2002−100318号公報のように第1ハイドロフォーム工程でZ方向に拡管した後に第2ハイドロフォーム工程でY方向に拡管することも考えられるが、当該形状のように複雑な形状の場合、2工程だけで最終製品形状に加工することは不可能であり、更に詳細形状に仕上げる第3ハイドロフォーム工程が必須となる。
上記のような課題を解決するため、本発明による加工方法では、まず第1ハイドロフォーム工程で1方向だけ拡管する。図4(a)、(b)の下図の例ではY方向だけ拡管している。これは、1方向だけ拡管する方が、純粋せん断変形に近い変形状態になるため大変形が可能になるからである。当該理論は、従来法の特開2002−100318号公報でも利用しているが、当該方法の第2ハイドロフォーム工程では、実際には純粋せん断変形させることは難しく、カウンタ等の対策を追加しないと加工初期に張り出し変形が起きるため割れが生じやすい。それに対して本発明では、第2ハイドロフォーム工程の成形難度を下げるため、第1ハイドロフォーム工程で最終的な製品形状の周長とほぼ同程度の周長まで拡管する点が従来法と異なる。但し、最終的に材料余りが生じるとしわが残るため、中間製品形状の周長は、最終製品形状の周長の100%以下に設定することが必要である。
一方、中間製品形状の周長が最終製品形状の周長の90%より短いと、その分、第2ハイドロフォーム工程で拡管する率が上がるため第2ハイドロフォーム工程の加工が困難になり、割れ等が発生しやすくなる。このため、本発明の第1ハイドロフォームにおける中間製品形状の周長は最終製品形状の90%以上となるように拡管しておくことが必要である。以上の要領で中間製品形状の周長を設定すると図3のグラフのようになる。なお、上記1方向における中間製品の高さを最終製品の高さより高くする上限は特に定めることなく本発明の効果を得ることができるが、後述の第2ハイドロフォーム工程でしわが発生するのを確実に防止するためには、最終製品の高さの200%以下とすることが好ましい(以上(1)に係る発明)。
上記の結果、図4(a)、(b)に示すような中間製品形状が設計される。本例では、断面のZ方向には拡管されず、Y方向の+側のみ拡管され、周長としては、全ての拡管された断面で最終製品の90%から100%の範囲に設定してある。図2(a)、(b)に示す最終製品形状はY方向及びZ方向に拡管された形状のため、Y方向の高さは、拡管された管軸方向の全部(A、Gを除くA〜Gの全ての断面)において、最終製品形状の場合よりも高い。
一方、最終製品の形状がY方向のみに拡管されている部位がある場合は、当然、中間製品の高さは最終製品の高さより低くなることがある。
また、断面上部と下部の形状は平坦な形状、すなわち長方形断面でも構わないが、その場合はコーナー部近傍で減肉し易くなるため拡管率の大きな場合は不利となる。よって、同図のように素管と概略等しい曲率半径(同図ではr)に設定することが好ましい(前記(2)に係る発明)。
図4(a)、(b)で設計された中間製品を、具体的には図5(a)のような要領でハイドロフォーム加工する。すなわち、金属管1を第1ハイドロフォーム工程の上金型2と下金型3の間に挟持した後、両管端から軸押しパンチ4、4で押し込んで、図2(a)、(b)に示す最終製品形状がY方向及びZ方向に拡管された形状の場合は、拡管された全部の断面で、Y方向の高さを減じるように中間製品を潰していく。その際、同時に軸押しパンチ4の水挿入口5から水6を金属管1内部に挿入して内圧を負荷する。その結果、上金型2と下金型3の空洞部の形状に沿うように金属管1が加工され、中間製品7が得られる。
最終製品がY方向のみに拡管された部位を有する場合は、拡管された一部の断面で、Y方向の高さを減じるように中間製品を潰していく。
また、拡管率の大きな場合などには、図5(b)のように管軸方向に直角な方向に移動自在なカウンターパンチ8を設けて金属管1のバーストや座屈を抑制しながらハイドロフォーム加工しても良い(前記(3)に係る発明)。また、直管部分の摺動抵抗が大きくて拡管部に軸押し込みが伝わりにくい場合は、図5(c)のように、管軸方向に移動自在な可動金型9を用いて、管端と可動金型を軸押しパンチ10で同時に押し込んでハイドロフォーム加工しても良い(前記(3)に係る発明)。
図5の要領でハイドロフォーム加工された中間製品7を図6に示すように、第2ハイドロフォームの下金型12に装着し、少なくとも管軸方向の一部において、上金型11で中間製品7をY方向に潰しながら(第1ハイドロフォーム工程で拡管させた1方向、即ち図5の例では、断面C−CにおけるY方向の高さを減じながら)型締めする。すると、中間製品の高さを減じるように加工した部位においては、Y方向に潰れる分、Z方向に断面が広がる。この際、内圧を負荷しながら型締めすると、しわ発生も抑制されて、より有効である。型締めした後は、通常のハイドロフォーム加工である内圧負荷、あるいは軸方向の押し込みも付加して金型形状に沿わせた最終製品13が完成される。
また、図4(a)、(b)の拡管方向はY方向の+側のみとしたが、最終製品の形状によっては、図7(a)のように+側と−側の両方に拡管しても構わない。また、Z方向には一切拡管していけないわけではなく、図7(b)のように若干Z方向に拡管(本図では素管径2rの1.05倍)しながらY方向に拡管しても差し支えない。
次に、第1ハイドロフォーム加工と第2ハイドロフォーム加工の間に曲げ加工が入る例を説明する(前記(4)に係る発明)。図2〜図4と同じ要領で、金属管断面の一方向(図8ではY方向とする)に拡管させて、管軸方向の拡管部の全部において最終製品の管軸方向の各断面の周長に対して90%から100%の範囲になり、かつ少なくとも管軸方向の一部について、製品高さより高くなるように中間製品形状を設計する。この第1ハイドロフォーム工程では、図8のように管軸方向に直線的な形状に加工して中間製品7を得る。直線形状の方が材料を押し込み易いため拡管率の大きな成形にも有利だからである。
その後、図9、図10のように、中間製品7を曲げ加工する。曲げ加工の工法は、回転引き曲げ工法やプレス曲げ工法等、何れの方法でも良く、管材のサイズや材質、曲げ半径等によって使い分ければよい。なお、当該図は、比較的簡易な曲げ工法であるプレスによる3点曲げの例である。すなわち、第1ハイドロフォーム加工された中間製品7を支点15、15の上に置き、その上方からパンチ14を押し込んでいくことで曲げ加工された中間製品16が得られる。また、曲げ加工に対しての拡管部の位置は、本例のような曲げ外側でなく、曲げ内側、あるいは側面でも、どこでも良い。その際、曲げ加工のパンチ14や支点15で拡管部を押し潰さない様にすることが望ましいが、その後の第2ハイドロフォーム工程で支障のない範囲であれば、若干拡管部が変形されても構わない。
最後に、曲げ加工された中間製品16を第2ハイドロフォームの下金型12に装着して、少なくとも管軸方向の一部について上金型11で潰しながら(Y方向の高さを減じながら)型締めしていき、その後、内圧と軸押し込みを負荷する。これらの要領は図6で説明した要領と同じである。以上の一連の加工工程を経て、最終的に曲げ加工とハイドロフォーム加工が両方行われた最終製品13が得られる。
金属管には外径63.5mm、肉厚2.3mm、全長400mmの鋼管を用い、鋼種は機械構造用炭素鋼鋼管のSTKM11Aを採用した。製品形状を図11(a)、(b)に示すが、最大拡管率が2.00と大きく、しかも断面のY方向、Z方向共に拡管される形状である。周長の分布を図12のグラフの細線で示す。管軸方向の拡管部の全部についてこの製品周長とその90%の値(図中の破線)との間の範囲となるように中間形状の周長(図12中の太線)を設定した。その設定した周長と合致するように、中間製品の各断面形状を設計する。その際、中間製品の形状は、図13(a)、(b)のように、断面のZ方向の寸法は素管の外径と同じ63.5mmとして、Y方向の寸法のみ軸方向(X方向)に変化させた。本実施例の最終製品は、Y方向の−側には拡管されない形状のため、中間製品でもY方向の−側には拡管しないで+側のみ拡管する形状にした。また、断面上下(Y方向の+側及び−側)の形状は、素管と同じ曲率半径である31.75mmの半円形の形状にした。
上述のように設計した中間製品を図14に示すような金型で加工した。本実施例の拡管率は比較的大きいため、ハイドロフォーム成形時の減肉を極力抑制するために、管軸方向に移動自在な可動金型9を用いたハイドロフォーム成形を行った。この第1ハイドロフォーム工程の加工条件としては、内圧は32MPaで、軸押し量は両端とも40mmとした。なお、軸押し時には、金属管1の端部と同時に可動金型9を押し込むことができる軸押しパンチ10を用いた。ハイドロフォーム加工完了時に、全長は320mmとなり、形状は図11〜図13で設計した中間製品の形状となる。
次に、中間製品7を図15に示す第2ハイドロフォーム下金型12の中に置き、拡管された全部の断面で、Y方向の高さを減じるように上方から上金型11を降下させて型締めする。最後に、内圧と軸押しを負荷するハイドロフォーム加工を行う。第2ハイドロフォーム工程の加工条件としては、内圧は最大180MPaまで負荷し、軸押しは両端よりそれぞれ20mmずつ押し込んだ。
上記のような一連の加工方法によって、拡管率が2.00で、しかも断面がY方向、Z方向ともに大きく拡管されている加工品を得ることができた。しかも、第1ハイドロフォームと第2ハイドロフォームの2工程のみで加工できた。
上記で設計した中間製品の形状に第1ハイドロフォーム工程で加工するが、各断面形状が実施例1と同一であり、しかも直線形状のため、第1ハイドロフォーム工程は全く実施例1と同一形状となる。よって、実施例1の第1ハイドロフォーム工程で用いた金型を使用して図14の要領で、中間製品7を得た。
次に、上記中間製品7を3点曲げのプレス加工で曲げ加工した。図19に示すように、支点15、15間の距離を240mmとして、上方から半径111mm、角度90°のパンチ14を押し込んで中間製品7を曲げ加工した。なお、パンチ14、支点15、15とも断面は中間製品7の直管部と同一の半径31.75mmの半円形の溝が設けられており、曲げ加工時に中間製品7が極力潰れない様にされている。
上記の曲げ加工で得られた中間製品16を図20に示す第2ハイドロフォーム工程の下金型12の上に置き、拡管された全部の断面で、Y方向の高さを減じるように上方から上金型11を降下させて型締めする。最後に最大圧力180MPaの内圧と両端から20mmの軸押しを負荷する。
以上の一連の加工工程の結果、曲げ部の拡管率が2.00で、しかも断面がY方向、Z方向ともに大きく拡管されている加工品を得ることができた。
Claims (4)
- 金属管を分割した金型に装着し、型締めした後で前記金属管に内圧と管軸方向押し込み力を負荷するハイドロフォーム加工方法において、第1ハイドロフォーム工程で、前記金属管断面の一方向に前記金属管を拡管させて、管軸方向の拡管部の全部において、製品形状の周長の90%以上100%以下の周長を有し、かつ前記一方向で少なくとも管軸方向の一部について、製品の高さより高い中間製品とした後、第2ハイドロフォーム工程で、管軸方向の全部又は一部において、前記中間製品の前記一方向の高さを減じながら最終製品形状に成形することを特徴とするハイドロフォーム加工方法。
- 金属管の断面の曲率半径と、前記一方向における中間製品の断面の曲率半径が略等しいことを特徴とする請求項1記載のハイドロフォーム加工方法。
- 金属管の軸方向に移動自在な可動金型又は金属管の軸方向に直角な方向に移動自在なカウンターパンチを用いて、中間製品に成形することを特徴とする請求項1又は2記載のハイドロフォーム加工方法。
- 第1ハイドロフォーム工程と第2ハイドロフォーム工程の間に、中間製品を管軸方向に曲げる工程を加えることを特徴とする請求項1、2又は3記載のハイドロフォーム加工方法。
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