KR20090120000A - 하이드로 포밍 가공 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 확관률이 크고 복잡한 형상의 하이드로 포밍 성형품을 얻을 수 있으며 또한 공정수를 적게 하여 가공할 수 있는 하이드로 포밍 가공 방법을 제공하는 것으로, 금속관을 분할한 금형에 장착하고, 형체결한 후에 상기 금속관에 내압과 관 축방향 압입력을 부하하는 하이드로 포밍 가공 방법에 있어서, 제1 하이드로 포밍 공정에서, 상기 금속관 단면의 일방향으로 상기 금속관을 확관시켜 관 축방향의 확관부의 전부에 있어서, 제품 형상의 둘레 길이의 90％ 이상 100％ 이하의 둘레 길이를 갖고, 또한 상기 일방향에서 적어도 관 축방향의 일부에 제품의 높이보다 높은 중간 제품으로 한 후, 제2 하이드로 포밍 공정에서 관 축방향의 전부 또는 일부에 있어서, 상기 중간 제품의 상기 일방향의 높이를 감하면서 최종 제품으로 성형한다. 또한, 굽힘을 포함하는 형상의 경우에는 상술한 제1 하이드로 포밍 공정과 제2 하이드로 포밍 공정 사이에 굽힘 공정을 실시한다.

경량화, 확관률, 금속관, 형체결, 굽힘 공정

Description

하이드로 포밍 가공 방법{METHOD OF HYDROFORMING WORK}

본 발명은, 자동차용의 배기계 부품, 서스펜션계 부품, 보디계 부품 등의 제조에 사용되는 것으로, 금속관을 하이드로 포밍 가공하는 방법에 관한 것이다.

최근, 자동차 분야에서는 경량화 수단의 하나로서 금속관의 적용이 증가하고 있다. 왜냐하면, 중실재와 비교하여 중공의 금속관재는 동일한 강성이라도 단면적을 절감시킬 수 있기 때문이다. 또한, 헷형(hat shaped)의 2매의 프레스한 금속판을 용접으로 결합하는 구조에 비하여, 금속관으로 일체형으로 한 구조에서는 용접 플랜지부가 불필요하기 때문에 경량화가 가능해진다.

그러나, 자동차용 부품은 차내의 좁은 공간 내에 배치되므로, 금속관은 직관인 채로 사용되는 경우가 적고, 대부분 2차 가공이 실시된 후에 자동차에 설치된다. 2차 가공으로서는 굽힘 가공이 가장 많지만, 최근의 자동차 부품 형상의 복잡화에 수반하여, 하이드로 포밍 가공(금속관을 금형 내에 장착한 상태로 내압과 축 방향 압축을 사용하여 금형 형상으로 마무리하는 가공)도 증가하고 있으며, 또한 그들의 가공을 중첩한 가공도 증가하고 있다. 하이드로 포밍 가공 자체도 도 1에 도시된 바와 같이 [소성과 가공, Vol.45, No.524(2004), 715페이지로부터 인용]에 기재된 바와 같이, 단순한 T 성형으로부터 비교하면 최근에는 부품 형상이 복잡화 되어, 확관률[소관의 둘레 길이에 대한 제품관의 둘레 길이의 비, 도 1에서는 확관률(Expansion ratio)이라고 기술]도 증가되어 왔다.

확관률이 큰 하이드로 포밍을 행하는 방법으로서는, 예를 들어 일본 특허 출원 공개 제2002-153917호 공보에 기재한 바와 같이 가동 금형을 사용하여 높은 가지관 높이를 갖는 하이드로 포밍 성형품을 얻는 가공법이 있다. 단, 이 방법으로는 T 성형과 같이 어느 일방향으로만 확관되는 경우의 형상밖에 적용할 수 없다.

또한, 일본 특허 출원 공개 제2002-100318호 공보에서는, 어느 일방향으로 확관한 후에 이 방향과 직각 방향으로 확관하는 방법이다. 이 방법을 사용하면, 어느 일방향뿐만 아니라 전체적으로 확관된 하이드로 포밍 성형품을 얻을 수 있다. 단, 단순한 직사각형 단면으로의 확관이라면 용이하게 적용 가능하나, 복잡한 단면 형상의 경우에는 상세 형상을 마무리하기 위한 하이드로 포밍 공정이 더 필요하게 되어 합계 3공정의 하이드로 포밍 가공이 필요하게 된다.

굽힘 가공과 하이드로 포밍 가공의 양쪽의 가공을 행할 경우, 일반적으로는 굽힘 가공을 실시한 후에 하이드로 포밍 금형에 장착하여 하이드로 포밍 가공을 실시하지만, 이 방법으로는 굽힘부의 확관률을 크게 하는 것이 곤란하다. 따라서, 하이드로 포밍 가공한 후에 굽힘 가공하는 방법도, 예를 들어 일본 특허 출원 공개 제2002-219525호 공보에 제안되어 있다. 이 방법은, 제1 공정의 하이드로 포밍 가공에서 전체적으로 확관한 후, 제2 공정에서 내압을 부하하면서 굽힘 가공하고, 마지막으로 제3 공정에서 굽힘 방향과 직각 방향으로 변형시키면서 하이드로 포밍 가공하는 방법이다. 이 방법을 사용하면, 굽힘 가공하고나서 하이드로 포밍 가공하 는 일반적인 방법에 비교하여 굽힘부의 확관률을 크게 하는 것이 가능하게 된다. 그러나, 그 확관률의 한계는, 제1 공정의 하이드로 포밍 가공의 한계값으로 제한되어, 이 방법과 같이 전체적으로 확관시키는 하이드로 포밍 가공에서는 그다지 큰 확관률을 기대할 수 없다.

그 외, 일본 특허 출원 제2006-006693호 공보와 같이 하이드로 포밍 가공한 후에 회전 드로우 벤딩 가공하는 방법도 제안되어 있다. 단, 당해 방법으로는 굽힘 가공 방법으로서 회전 드로우 벤딩 가공만을 대상으로 하고 있기 때문에 적용 범위는 한정된다.

상술한 바와 같이, 종래는 확관률이 크고 복잡한 형상의 하이드로 포밍 성형품을 얻는 것은 어렵고, 유일한 방법으로서는 일본 특허 출원 공개 제2002-100318호 공보에 기재된 방법으로서, 하이드로 포밍을 3공정 실시하는 방법이 있지만, 이 방법으로는 공정수가 많아 비용적으로도 생산 능률적으로도 불리해진다.

따라서, 본 발명은 확관률이 크고 복잡한 형상의 하이드로 포밍 성형품을 하이드로 포밍 2공정으로 가공하는 방법을 제공한다. 또한, 굽힘 가공과 하이드로 포밍 가공이 중첩되는 경우에도, 종래에는 곤란했던 굽힘부의 확관률이 큰 경우의 성형품을 얻기 위한 방법을 제공한다.

본 발명은 상술한 과제를 해결하기 위하여 이루어진 것으로, 그 요지로 하는 점은 하기한 바와 같다.

(1) 금속관을 분할한 금형에 장착하고, 형체결한 후에 상기 금속관에 내압과 관 축방향 압입력을 부하하는 하이드로 포밍 가공 방법에 있어서, 제1 하이드로 포밍 공정에서, 상기 금속관 단면의 일방향으로 상기 금속관을 확관시켜 관 축방향의 확관부의 전부에 있어서, 제품 형상의 둘레 길이의 90％ 이상 100％ 이하의 둘레 길이를 갖고, 또한 상기 일방향에서 적어도 관 축방향의 일부에 있어서, 제품의 높이보다 높은 중간 제품으로 한 후, 제2 하이드로 포밍 공정에서 관 축방향의 전부 또는 일부에 있어서, 상기 중간 제품의 상기 일방향의 높이를 감하면서 최종 제품 형상으로 성형하는 것을 특징으로 하는 하이드로 포밍 가공 방법.

(2) 금속관의 단면의 곡률 반경과, 상기 일방향에 있어서의 중간 제품의 단면의 곡률 반경이 대략 동등한 것을 특징으로 하는 상기 (1)에 기재된 하이드로 포밍 가공 방법.

(3) 금속관의 축 방향으로 이동 가능한 가동 금형 또는 금속관의 축 방향에 직각인 방향으로 이동 가능한 카운터 펀치를 사용하여, 중간 제품으로 성형하는 것을 특징으로 하는 상기 (1) 또는 (2)에 기재된 하이드로 포밍 가공 방법.

(4) 제1 하이드로 포밍 공정과 제2 하이드로 포밍 공정 사이에, 중간 제품을 관 축방향으로 굽히는 공정을 추가하는 것을 특징으로 하는 상기 (1), (2) 또는 (3)에 기재된 하이드로 포밍 가공 방법.

또한, 본 발명 (2)에서, 곡률 반경이 대략 동등하다는 것은 소관(금속관)의 곡률 반경에 대하여, 중간 제품의 단면의 곡률 반경이 90 내지 110％의 범위에 있는 것을 의미한다.

도 1은 하이드로 포밍 기술 분야의 진전의 설명도를 도시한다.

도 2는 본 발명에 있어서의, 제품 형상을 바탕으로 중간 제품 형상을 설계하는 방법의 설명도를 도시하는 도면이다. (a)는 단면 형상을 나타내고, (b)는 측면 형상을 나타낸다.

도 3은 도 2에 있어서 중간 제품의 형상의 설계에 있어서, 최종 제품의 형상을 둘레 길이와, 중간 제품의 형상의 둘레 길이를 도시하는 도면이다.

도 4는 본 발명에 있어서의, 제품 형상을 바탕으로 중간 제품 형상을 설계하는 방법의 설명도를 도시하는 도면이다. (a)는 단면 형상을 나타내고, (b)는 측면 형상을 나타낸다.

도 5의 (a), (b), (c)는 본 발명에 있어서의 제1 하이드로 포밍 공정의 설명도를 도시한다.

도 6은 본 발명에 있어서의 제2 하이드로 포밍 공정의 설명도를 도시하는 도면이다.

도 7의 (a), (b)는 본 발명에 있어서의 각종 형상의 중간 제품으로 가공하기 위한 제1 하이드로 포밍 공정의 설명도를 도시하는 도면이다.

도 8은 굽힘 가공을 포함하는 경우의 본 발명의 가공 방법의 설명도를 도시하는 도면이다.

도 9는, 도 8에 이은 굽힘 가공을 포함하는 경우의 본 발명의 가공 방법의 설명도를 도시하는 도면이다.

도 10은, 도 9에 이은 굽힘 가공을 포함하는 경우의 본 발명의 가공 방법의 설명도를 도시하는 도면이다.

도 11은 제품 형상을 바탕으로 중간 제품 형상을 설계하는 실시예의 설명도를 도시하는 도면이다. (a)는 단면 형상을 나타내고, (b)는 측면 형상을 나타낸다.

도 12는, 도 11에 있어서 중간 제품의 형상의 설계에 있어서, 최종 제품의 둘레 길이와, 중간 제품의 형상의 둘레 길이를 도시하는 도면이다.

도 13은, 본 발명에 있어서의 제품 형상을 바탕으로 중간 제품 형상을 설계하는 방법의 설명도를 도시하는 도면이다. (a)는 단면 형상을 나타내고, (b)는 측면 형상을 나타낸다.

도 14는 제1 하이드로 포밍 공정과 제2 하이드로 포밍 공정의 실시예의 설명도를 도시하는 도면이다.

도 15는 도 14에 이은 하이드로 포밍 공정의 실시예의 설명도를 도시하는 도면이다.

도 16은 굽힘을 포함한 형상의 경우의, 제품 형상을 바탕으로 중간 제품 형상을 설계하는 실시예의 설명도를 도시하는 도면이다. (a)는 단면 형상을 나타내고, (b)는 측면 형상을 나타낸다.

도 17은, 도 16에 있어서 중간 제품의 형상의 설계에 있어서, 최종 제품의 제품 형상의 둘레 길이와, 중간 제품의 형상의 둘레 길이를 도시하는 도면이다.

도 18은 굽힘을 포함한 형상의 경우의, 제품 형상을 바탕으로 중간 제품 형상을 설계하는 다른 실시예의 설명도를 도시하는 도면이다. (a)는 단면 형상을 나 타내고, (b)는 측면 형상을 나타낸다.

도 19는 굽힘 가공을 포함하는 경우의 각 공정의 실시예의 설명도를 도시하는 도면이다.

도 20은 도 19에 도시된 공정에 이은 각 공정의 실시예의 설명도를 도시하는 도면이다.

도 2 내지 도 20을 사용하여 본 발명의 상세를 설명한다.

도 2의 (a), (b)는 최종적으로 필요한 제품 형상의 측면도(X-Y 평면), 상면도(X-Z 평면) 및 각 단면도(Y-Z 평면)를 도시하고 있다. 당해 형상의 제품을 외경(2r)(반경r)의 관재로부터 하이드로 포밍 가공으로 제조하려고 한 경우, 단면 A-A로부터 단면 G-G의 범위를 도면과 같이 복잡한 형상으로 확관시켜야 한다. 일반적으로 하이드로 포밍 가공에서는 관 내부의 내압과 양 관단부로부터의 축 압입에 의해 복잡 형상으로 확관하지만, 당해 형상과 같이 Y 방향과 Z 방향의 양쪽으로 확관하는 경우에는 매우 성형이 곤란해진다. 특히, 성형성이 낮은 재료(n값, r값, 신장 등이 낮은 재료)나 확관률이 큰 형상에서는 어려워, 성형이 불가능하게 되는 경우도 있다.

이러한 경우, 종래는 가공 공정을 복수로 나누어 서서히 확관률을 증가시키는 것이 행하여져 왔다. 예를 들어, 소관의 둘레 길이(La)로부터 최종 제품 형상의 둘레 길이(Lc)까지 확관하려는 경우, 중간 제품 형상의 둘레 길이(Lb)를 La와 Lc의 중간 정도의 값[예를 들어, (La+Lc)/2]으로 설정하여 2공정으로 나누어 확관 한다. 형상적으로도 소관과 최종 제품 형상의 중간 정도의 형상으로 중간 제품의 형상을 설정하는 것이 일반적이었다. 그러나, 제1 하이드로 포밍 공정에 있어서, 소관의 둘레 길이(La)로부터 중간 제품 형상의 둘레 길이(Lb)로 확관하는 시점에서 이미 가공 경화가 부여되기 때문에, 제2 하이드로 포밍 공정 전에 가공 변형을 제거하기 위한 열처리가 필요해져, 비용적으로도 생산 효율적으로도 매우 불리해진다. 또한, 열처리하지 않는 방법으로서는 일본 특허 출원 공개 제2002-100318호 공보와 같이 제1 하이드로 포밍 공정에서 Z방향으로 확관시킨 후에 제2 하이드로 포밍 공정에서 Y 방향으로 확관하는 것도 생각할 수 있지만, 당해 형상과 같이 복잡한 형상의 경우, 2공정만으로 최종 제품 형상으로 가공하는 것은 불가능하여, 추가로 상세 형상으로 마무리하는 제3 하이드로 포밍 공정이 필수적이 된다.

상기와 같은 과제를 해결하기 위해, 본 발명에 의한 가공 방법으로는, 우선 제1 하이드로 포밍 공정에서 일 방향만 확관한다. 도 4의 (a), (b)의 하측 도면의 예에서는 Y 방향만 확관하고 있다. 이것은, 일 방향만 확관하는 쪽이 순수 전단 변형에 가까운 변형 상태로 되기 때문에 대변형이 가능하게 되기 때문이다. 당해 이론은, 종래법의 일본 특허 출원 공개 제2002-100318호 공보에서도 이용하고 있지만, 당해 방법의 제2 하이드로 포밍 공정에서는 실제로는 순수 전단 변형시키는 것은 어려워, 카운터 등의 대책을 추가하지 않으면 가공 초기에 돌출 변형이 일어나기 때문에 균열이 발생하기 쉽다. 그에 대하여 본 발명에서는, 제2 하이드로 포밍 공정의 성형 난이도를 내리기 위해 제1 하이드로 포밍 공정에서 최종적인 제품 형상의 둘레 길이와 거의 동일한 정도의 둘레 길이까지 확관하는 점이 종래법과 상이 하다. 단, 최종적으로 재료 여분이 발생하면 주름이 남기 때문에 중간 제품 형상의 둘레 길이는 최종 제품 형상의 둘레 길이의 100％ 이하로 설정하는 것이 필요하다.

한편, 중간 제품 형상의 둘레 길이가 최종 제품 형상의 둘레 길이의 90％보다 짧으면, 그만큼 제2 하이드로 포밍 공정에서 확관하는 비율이 오르기 때문에 제2 하이드로 포밍 공정의 가공이 곤란해져, 균열 등이 발생하기 쉬워진다. 이로 인해, 본 발명의 제1 하이드로 포밍에 있어서의 중간 제품 형상의 둘레 길이는 최종 제품 형상의 90％ 이상으로 되도록 확관해 두는 것이 필요하다. 이상의 요령으로 중간 제품 형상의 둘레 길이를 설정하면 도 3의 그래프와 같이 된다. 또한, 상기 일 방향에 있어서의 중간 제품의 높이를 최종 제품의 높이보다 높게 하는 상한은 특별히 정하지 않고 본 발명의 효과를 얻을 수 있지만, 후술하는 제2 하이드로 포밍 공정에서 주름이 발생하는 것을 확실하게 방지하기 위해서는 최종 제품의 높이의 200％ 이하로 하는 것이 바람직하다[이상 (1)에 따른 발명].

상기의 결과, 도 4의 (a), (b)에 도시된 바와 같은 중간 제품 형상이 설계된다. 본 예에서는, 단면의 Z 방향으로는 확관되지 않고, Y 방향의 +측만 확관되고, 둘레 길이로서는 모든 확관된 단면에서 최종 제품의 90％로부터 100％의 범위로 설정되어 있다. 도 2의 (a), (b)에 도시된 최종 제품 형상은 Y 방향 및 Z 방향으로 확관된 형상이기 때문에 Y 방향의 높이는 확관된 관 축방향의 전부(A, G를 제외한 A 내지 G의 모든 단면)에 있어서, 최종 제품 형상의 경우보다도 높다.

한편, 최종 제품의 형상이 Y 방향으로만 확관되어 있는 부위가 있는 경우에 는 당연히 중간 제품의 높이는 최종 제품의 높이보다 낮아지는 경우가 있다.

또한, 단면 상부와 하부의 형상은 평탄한 형상, 즉 직사각형 단면이어도 상관 없지만, 그 경우는 코너부 근방에서 두께가 감소되기 쉬워지기 때문에 확관률이 큰 경우는 불리해진다. 따라서, 도 4와 같이 소관과 개략 동등한 곡률 반경(동일 도면에서는 r)으로 설정하는 것이 바람직하다(상기 (2)에 따른 발명).

도 4의 (a), (b)에서 설계된 중간 제품을, 구체적으로는 도 5의 (a)와 같은 요령으로 하이드로 포밍 가공한다. 즉, 금속관(1)을 제1 하이드로 포밍 공정의 상부 금형(2)과 하부 금형(3) 사이에 끼움 지지한 후, 양 관단부로부터 축 압박 펀치(4, 4)로 압입하고, 도 2의 (a), (b)에 도시된 최종 제품 형상이 Y 방향 및 Z 방향으로 확관된 형상인 경우에는 확관된 모든 단면에서 Y 방향의 높이를 감하도록 중간 제품을 변형시켜 간다. 그 때, 동시에 축 압박 펀치(4)의 물 삽입구(5)로부터 물(6)을 금속관(1) 내부로 삽입하여 내압을 부하한다. 그 결과, 상부 금형(2)과 하부 금형(3)의 공동부의 형상을 따르도록 금속관(1)이 가공되어, 중간 제품(7)이 얻어진다.

최종 제품이 Y 방향으로만 확관된 부위를 갖는 경우에는 확관된 일부의 단면에서, Y 방향의 높이를 감하도록 중간 제품을 변형시켜 간다.

또한, 확관률이 큰 경우 등에는, 도 5의 (b)와 같이 관 축방향에 직각인 방향으로 이동 가능한 카운터 펀치(8)를 설치하여 금속관(1)의 버스트나 좌굴을 억제하면서 하이드로 포밍 가공해도 된다[상기 (3)에 따른 발명]. 또한, 직관 부분의 미끄럼 이동 저항이 커서 확관부에 축 압입이 전해지기 어려운 경우에는 도 5의 (c)와 같이 관 축방향으로 이동 가능한 가동 금형(9)을 사용하여, 관단부와 가동 금형을 축 압박 펀치(10)로 동시에 압입하여 하이드로 포밍 가공해도 된다[상기 (3)에 따른 발명].

도 5의 요령으로 하이드로 포밍 가공된 중간 제품(7)을 도 6에 도시된 바와 같이 제2 하이드로 포밍의 하부 금형(12)에 장착하고, 적어도 관 축방향의 일부에 있어서, 상부 금형(11)으로 중간 제품(7)을 Y 방향으로 변형시키면서(제1 하이드로 포밍 공정에서 확관시킨 일 방향, 즉 도 5의 예에서는 단면 C-C에 있어서의 Y 방향의 높이를 감하면서) 형체결한다. 그러면, 중간 제품의 높이를 감하도록 가공한 부위에 있어서는, Y 방향으로 변형되는 만큼 Z 방향으로 단면이 확대된다. 이때, 내압을 부하하면서 형체결하면 주름 발생도 억제되어 보다 유효하다. 형체결한 후에는 통상의 하이드로 포밍 가공인 내압 부하, 혹은 축 방향의 압입도 부가하여 금형 형상을 따르게 한 최종 제품(13)이 완성된다.

또한, 도 4의 (a), (b)의 확관 방향은 Y 방향의 +측만으로 했으나, 최종 제품의 형상에 따라서는 도 7의 (a)와 같이 +측과 -측의 양쪽으로 확관되어도 상관없다. 또한, Z 방향으로는 전혀 확관해서는 안되는 것은 아니고, 도 7의 (b)와 같이 약간 Z 방향으로 확관[본 도면에서는 소관 직경(2r)의 1.05배]하면서 Y 방향으로 확관해도 지장없다.

다음에, 제1 하이드로 포밍 가공과 제2 하이드로 포밍 가공 사이에 굽힘 가공이 들어가는 예를 설명한다[상기 (4)에 따른 발명]. 도 2 내지 도 4와 동일한 요령으로, 금속관 단면의 일방향(도 8에서는 Y 방향으로 한다)으로 확관시켜 관 축 방향의 확관부의 전부에 있어서 최종 제품의 관 축방향의 각 단면의 둘레 길이에 대하여 90％ 내지 100％의 범위로 되고, 또한 적어도 관 축방향의 일부에 대해 제품 높이보다 높아지도록 중간 제품 형상을 설계한다. 이 제1 하이드로 포밍 공정에서는, 도 8과 같이 관 축방향으로 직선적인 형상으로 가공하여 중간 제품(7)을 얻는다. 직선 형상이 재료를 더 압입하기 쉽기 때문에 확관률이 큰 성형에도 유리하기 때문이다.

그 후, 도 9, 도 10과 같이 중간 제품(7)을 굽힘 가공한다. 굽힘 가공의 공법은, 회전 드로우 벤딩 공법이나 프레스 벤딩 공법 등 어느 방법이어도 좋고, 관재의 사이즈나 재질, 굽힘 반경 등에 의해 구분하여 사용하면 된다. 또한, 당해 도면은 비교적 간이한 굽힘 공법인 프레스에 의한 3점 굽힘의 예이다. 즉, 제1 하이드로 포밍 가공된 중간 제품(7)을 지지점(15, 15) 위에 두고, 그 상방으로부터 펀치(14)를 압입해 감으로써 굽힘 가공된 중간 제품(16)이 얻어진다. 또한, 굽힘 가공에 대한 확관부의 위치는 본 예와 같은 굽힘 외측이 아니라, 굽힘 내측, 혹은 측면이든 어디라도 좋다. 그 때, 굽힘 가공의 펀치(14)나 지지점(15)에 의해 확관부가 변형되지 않도록 하는 것이 바람직하지만, 그 후의 제2 하이드로 포밍 공정에서 지장이 없는 범위이면 약간 확관부가 변형되어도 상관없다.

마지막으로 굽힘 가공된 중간 제품(16)을 제2 하이드로 포밍의 하부 금형(12)에 장착하여, 적어도 관 축방향의 일부에 대하여 상부 금형(11)으로 변형시키면서(Y 방향의 높이를 감하면서) 형체결해 나가고, 그 후 내압과 축 압입을 부하한다. 이들 요령은 도 6에서 설명한 요령과 동일하다. 이상의 일련의 가공 공정 을 거쳐 최종적으로 굽힘 가공과 하이드로 포밍 가공이 모두 행하여진 최종 제품(13)이 얻어진다.

제1 실시예

하기에 본 발명의 실시예를 나타낸다.

금속관에는 외경 63.5㎜, 두께 2.3㎜, 전체 길이 400㎜의 강관을 사용하고, 강종은 기계 구조용 탄소강 강관의 STKM11A를 채용했다. 제품 형상을 도 11의 (a), (b)에 도시하나, 최대 확관률이 2.00으로 크고, 게다가 단면의 Y 방향, Z 방향 모두 확관되는 형상이다. 둘레 길이의 분포를 도 12의 그래프의 세선으로 나타낸다. 관 축방향의 확관부의 전부에 대해 이 제품 둘레 길이와 그 90％의 값(도면에서의 파선) 사이의 범위로 되도록 중간 형상의 둘레 길이(도 12 중의 굵은 선)를 설정했다. 그 설정한 둘레 길이와 합치되도록 중간 제품의 각 단면 형상을 설계한다. 그 때, 중간 제품의 형상은 도 13의 (a), (b)와 같이 단면의 Z 방향의 치수는 소관의 외경과 동일한 63.5㎜로 하여, Y 방향의 치수만 축 방향(X 방향)으로 변화시켰다. 본 실시예의 최종 제품은 Y 방향의 -측으로는 확관되지 않는 형상이기 때문에 중간 제품에서도 Y 방향의 -측으로는 확관하지 않고 +측만 확관하는 형상으로 했다. 또한, 단면 상하(Y 방향의 +측 및 -측)의 형상은 소관과 동일한 곡률 반경인 31.75㎜의 반원형의 형상으로 했다.

상술한 바와 같이 설계한 중간 제품을 도 14에 도시된 바와 같은 금형으로 가공했다. 본 실시예의 확관률은 비교적 크기 때문에 하이드로 포밍 성형 시의 두께 감소를 최대한 억제하기 위해 관 축방향으로 이동 가능한 가동 금형(9)을 사용 한 하이드로 포밍 성형을 행했다. 이 제1 하이드로 포밍 공정의 가공 조건으로서는, 내압은 32MPa이고, 축 압박량은 양단부 모두 40㎜로 했다. 또한, 축 압박 시에는 금속관(1)의 단부와 동시에 가동 금형(9)을 압입할 수 있는 축 압박 펀치(10)를 사용했다. 하이드로 포밍 가공 완료 시에 전체 길이는 320㎜로 되고, 형상은 도 11 내지 도 13에서 설계한 중간 제품의 형상으로 된다.

다음에, 중간 제품(7)을 도 15에 도시된 제2 하이드로 포밍 하부 금형(12) 내에 두고, 확관된 모든 단면에서 Y 방향의 높이를 감하도록 상방으로부터 상부 금형(11)을 강하시켜 형체결한다. 마지막으로, 내압과 축 압박을 부하하는 하이드로 포밍 가공을 행한다. 제2 하이드로 포밍 공정의 가공 조건으로서는, 내압은 최대 180MPa까지 부하하고, 축 압박은 양단부로부터 각각 20㎜씩 압입했다.

상기와 같은 일련의 가공 방법에 의해, 확관률이 2.00이고, 게다가 단면이 Y 방향, Z 방향 모두 크게 확관되어 있는 가공품을 얻을 수 있었다. 게다가, 제1 하이드로 포밍과 제2 하이드로 포밍의 2공정만으로 가공할 수 있었다.

제2 실시예

다음에, 굽힘을 포함한 형상의 제품의 실시예에 관하여 설명한다. 도 16, 도 18에 중간 제품 형상을 설계하는 요령을 기재했다. 기본적으로는, 제1 실시예에서 설명한 도 11 내지 도 13의 요령과 동일하다. 최종 제품의 관 축방향을 X축으로 설정하고, 그 X축과 수직인 각 단면에 있어서의 둘레 길이를 조사한다. 그리고, 관 축방향(X축)의 확관부 전부에 대해 그 제품 둘레 길이의 90％ 내지 100％의 범위로 되도록 중간 제품의 둘레 길이를 도 17에 도시된 방법으로 설계한다. 또 한, 본 제2 실시예의 최종 제품의 각 단면은, 전술한 제1 실시예의 최종 제품의 각 단면과 동일하게 했다. 이 중간 제품의 둘레 길이와 합치하도록 중간 제품의 형상을 설계하지만, 이 때의 요령도 제1 실시예의 경우와 마찬가지로, 단면의 치수는 Y 방향만 +측으로 신장시킨 형상으로 했다. 단, 관 축방향(X 방향)의 형상은 직선 형상으로 한다. 이것은, 굽힌 형상을 확관하는 것보다도 직선 형상이 관 축방향으로 재료가 유입되기 더 쉽기 때문이다.

상기에서 설계한 중간 제품의 형상으로 제1 하이드로 포밍 공정으로 가공하지만, 각 단면 형상이 제1 실시예와 동일하고, 게다가 직선 형상이기 때문에, 제1 하이드로 포밍 공정은 완전히 제1 실시예와 동일 형상으로 된다. 따라서, 제1 실시예의 제1 하이드로 포밍 공정에서 사용한 금형을 사용하여 도 14의 요령으로 중간 제품(7)을 얻었다.

다음에, 상기 중간 제품(7)을 3점 굽힘의 프레스 가공으로 굽힘 가공했다. 도 19에 도시된 바와 같이 지지점(15, 15) 사이의 거리를 240㎜로 하고, 상방으로부터 반경 111㎜, 각도 90°의 펀치(14)를 압입하여 중간 제품(7)을 굽힘 가공했다. 또한, 펀치(14), 지지점(15, 15) 모두 단면은 중간 제품(7)의 직관부와 동일한 반경 31.75㎜의 반원형의 홈이 형성되어 있어, 굽힘 가공 시에 중간 제품(7)이 최대한 변형되지 않도록 되어 있다.

상기한 굽힘 가공에서 얻어진 중간 제품(16)을 도 20에 도시된 제2 하이드로 포밍 공정의 하부 금형(12) 위에 두고, 확관된 모든 단면에서 Y 방향의 높이를 감하도록 상방으로부터 상부 금형(11)을 강하시켜 형체결한다. 마지막으로 최대 압 력 180MPa의 내압과 양단부로부터 20㎜의 축 압박을 부하한다.

이상의 일련의 가공 공정의 결과, 굽힘부의 확관률이 2.00이며, 게다가 단면이 Y 방향, Z 방향 모두 크게 확관되어 있는 가공품을 얻을 수 있었다.

본 발명에 따라, 종래보다도 하이드로 포밍의 적용 가능 범위가 확대되어, 자동차에의 관 형상 부품의 종류가 증가한다. 이에 의해, 자동차의 경량화가 더욱 진행되어 연비 향상에 의해 지구 온난화 억제에도 공헌할 수 있다.

Claims (4)

1. 금속관을 분할한 금형에 장착하고, 형체결한 후에 상기 금속관에 내압과 관 축방향 압입력을 부하하는 하이드로 포밍 가공 방법에 있어서, 제1 하이드로 포밍 공정에서, 상기 금속관 단면의 일방향으로 상기 금속관을 확관시켜 관 축방향의 확관부의 전부에 있어서, 제품 형상의 둘레 길이의 90％ 이상 100％ 이하의 둘레 길이를 갖고, 또한 상기 일방향에서 적어도 관 축방향의 일부에 대하여 제품의 높이보다 높은 중간 제품으로 한 후, 제2 하이드로 포밍 공정에서, 관 축방향의 전부 또는 일부에 있어서, 상기 중간 제품의 상기 일방향의 높이를 감하면서 최종 제품 형상으로 성형하는 것을 특징으로 하는, 하이드로 포밍 가공 방법.
2. 제1항에 있어서, 금속관의 단면의 곡률 반경과, 상기 일방향에 있어서의 중간 제품의 단면의 곡률 반경이 대략 동등한 것을 특징으로 하는, 하이드로 포밍 가공 방법.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 금속관의 축 방향으로 이동 가능한 가동 금형 또는 금속관의 축 방향에 직각인 방향으로 이동 가능한 카운터 펀치를 사용하여, 중간 제품으로 성형하는 것을 특징으로 하는, 하이드로 포밍 가공 방법.
4. 제1항, 제2항 또는 제3항에 있어서, 제1 하이드로 포밍 공정과 제2 하이드로 포밍 공정 사이에, 중간 제품을 관 축방향으로 굽히는 공정을 추가하는 것을 특징으로 하는, 하이드로 포밍 가공 방법.

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