WO2008050911A1 - Punching method and punching device employing hydro-form and hydro-formed part and structure body - Google Patents

Description

明 細 書 ハイ ドロフォームを用いた穿孔方法と穿孔装置及びハイ ドロフォー ム加工部品と構造体 技術分野

本発明は、 自動車用の排気系部品、 サスペンショ ン系部品、 ポデ ィ系部品等の製造に用いられるもので、 金属管を金型に入れ、 当該 金型を型締めした後、 管内に内圧と管軸方向の押し力を負荷するこ とにより所定形状に成形するハイ ドロフォームにおいて、 その成形 中に当該金型内部に組み込まれた穿孔用パンチ （以後ピアスパンチ と称す) で金属管を穿孔する (以後ピアシングと称す) 方法と金型 、 及びそれにより加工されたハイ ド口フォーム加工部品と、 当該加 ェ部品と結合された構造体に関する。 背景技術

近年ハイ ドロフォーム技術は、 部品数削減によるコス ト削減や軽 量化等の手段の一つとして自動車分野で注目を浴びており、 国内で も 1999年から実車への適用を開始した。 それ以降、 ハイ ド口フォー ム加工の適用部品は年々増加し、 その市場規模は大幅に拡大してき た。

八ィ ドロフオームの利点は前述の部品数削減や軽量化以外にも多 くあり、 例えば、 ハイ ド口フォーム成形と同時に金属管のピアシン グが可能であることも挙げられる。 当該技術の概略は図 1 に示すと おりであり、 ハイ ド口フォーム金型 （本例の場合、 上金型 2 ) に組 み込まれたピアスパンチ 6が金型空洞方向に押出されることにより 、 ハイ ド口フォーム成形品 1 に穴を空ける技術である。 その際、 高 圧の内圧によってハイ ドロフォーム成形品 1は金型 2に押し付けら れているため、 穴縁は内面側にだれることはほとんどなく、 良好な 切断面が得られる。 またピアシングされた金属片 7は同図 （ a ) の ように完全に打ち抜かれて分離させることもあるが、 同図 （ b ) の ように一部のみ切断せずに残しておく場合もある。 具体的にはピア スパンチの先端のコーナー Rを一部大きく しておく ことにより、 当 該箇所の切断を防止する。

以上のようにハイ ドロフォームには多くの利点がある力 、 欠点と しては、 他部品との結合が難しいという点が挙げられる。 従来のプ レス加工品の場合は、 図 2 ( a ) のようなポッ ト溶接や、 （ b ) の ようなポルト締結で他部品 1 1と固定されていた。 しかし、 ハイ ド口 フォーム成形品は中空であるため、 スポッ ト溶接を行うことが難し く、 また内部にナッ トを取付けることもできなかった。 図 3のよう にハイ ドロフォーム成形品 1 の外面側にナッ ト 1 3を溶接することは できるが、 その分、 ハイ ド口フォーム成形品 1の外面側にナッ ト 1 3 が突き出るため、 他部品 1 1と結合した場合、 部品同士が面で接触す ることができない。

ハイ ド口フォーム成形品にナッ トを取付ける例としては、 特開 20 02— 45 926号公報がある。 図 4に示すように、 ハイ ド口フォーム成 形品 1 の外面に袋状ナツ ト 60を取り付けた短管部材 6 1を巻き付けて ハイ ドロフォームする方法である。

また、 ハイ ド口フォーム成形品にナッ トを取付ける他の例として 図 5に示されるような特開 2003— 3 346 25号公報がある。 本方法と前 述の特開 2002— 45 926号公報との主な相違点は、 ナツ ト 1 3が短管部 材 6 1とハイ ドロフォーム成形品 1 との間に挟まれるという点である その他の従来技術としては特開 200 5— 2970 60号公報がある 。 本方法は、 図 6に示されるように、 ハイ ド口フォーム成形品の内 面側にバーリング加工部 62を加工し、 ハイ ドロフォーム金型から取 り出した後に当該バーリング加工部にタツプ加工 63を施してポルト 64を用いて他部品 65と結合する方法である。 発明の開示

しかしながら、 上記特開 2002— 45926号公報の技術では、 袋状ナ ッ トと短管部材をハイ ド口フォーム前に溶接等で取付ける必要があ る。 しかも、 当該短管部材を巻き付けた状態でハイ ド口フォームす る場合、 当該箇所の成形が非常に難しくなり、 ハイ ド口フォーム中 にバース トやしわ等の成形不良の危険性が高まる。 そのため、 適用 可能なハイ ド口フォーム成形品形状も限られる。 逆に、 ハイ ドロフ オームの成形を可能にするために、 ナツ 卜の長さを短くせざるを得 ない場合も生じてくるため、 ポルトとの締結強度を十分確保できな いこともありうる。

また、 上記特開 2003— 334625号公報の技術では、 短管部材が必要 である点、 ハイ ド口フォーム成形が困難になる点、 ナッ ト長さが短 くなる可能性がある点に関しては特開 2002- 45926号公報と同様の課 題を持っている。

また、 上記特開 2005— 297060号公報の技術を用いた場合には、 ハ イ ド口フォーム工程後にタップ加工が必要となり、 製造工程として は効率的でない。 また、 本方法はハイ ド口フォーム成形品に直接夕 ップを加工するため、 成形品が薄肉の場合には適用できない。

本発明は、 上述のように、 従来はハイ ド口フォーム成形品にポル 卜締結用のナツ 卜を取付ける際に必要となった短管部材を省略する こと、 ナッ トを取付けるためにハイ ド口フォーム成形の難易度が増 さないようにすること、 ポルト締結する際に十分な強度を確保でき るようにナッ ト長さを長くすること、 薄肉のハイ ドロフォーム成形 品にも適用できること、 を目的とした加工方法と金型及びそれによ つて得られる加工部品と構造体を提供することを目的とする。

係る課題を解決するため、 本発明の要旨とするところは下記の通 りである。

( 1 ) 挿入される金属管の管軸と直角又は斜め方向に移動自在で 先端部が中間部に比して細径となっており、 前記先端部の周囲に、 前記先端部の外径より大きく前記中間部の外径より小さい内径を有 するナツ 卜が配置されている穿孔パンチを有する分割金型に金属管 を挿入し、 前記金属管に内圧と管軸方向の押し力、 又は内圧を負荷 してハイ ドロフォーム加工を行い、 前記穿孔パンチを前進させ前記 金属管の一部を前記穿孔パンチの先端部で穿孔後、 前記ナツ トを、 前記ナツ 卜の後方に配置した前記中間部で押しながら前記ナツ 卜を 前進させ、 穿孔した穴の周囲を前記金属管の内面側に押し込みつつ 、 前記ナツ トを金属管に埋め込むことを特徴とするハイ ドロフォー ムを用いた穿孔方法。

( 2 ) 金属管が装着される分割金型と、 内圧付与手段及び軸押し 手段を有したハイ ドロフォーム成形装置における穿孔装置であって 金属管の管軸と直角又は斜め方向に移動自在で先端部が中間部に 比して細径となっている穿孔パンチを有し、 前記穿孔パンチの先端 部の周囲にナツ トが配置され、 前記ナツ トの内径は前記先端部の外 径より大きく前記中間部の外径より小さく、 前記穿孔パンチは、 前 進と共に前記金属管を先端部で穿孔した後、 穿孔した穴の周囲を前 記ナッ トで前記金属管の内面側に押し込みつつ、 前記ナッ トを金属 管に埋め込む機能を有することを特徴とするハイ ドロフォームの穿 孔装置。 ( 3 ) 前記穿孔パンチの先端部の周囲で、 かつ前記ナッ トと前記 穿孔パンチの中間部の間に 2次パンチを有することを特徴とする （ 2 ) 記載の八イ ド口フォームの穿孔装置。

( 4 ) 金属管の側壁部に開口部を有する八ィ ドロフォーム加工部 品であって、 前記開口部は金属管の内面側に向かったバーリング加 ェ部を有し、 当該バーリング加工部の内側にナツ 卜が埋め込まれて いることを特徴とするハイ ドロフォーム加工部品。

( 5 ) 前記ナッ トの横断面形状が、 多角形若しくは楕円形からな るか、 又は前記ナッ トの横断面形状の輪郭が、 直線と曲線の組合せ 若しくは曲線の組合からなることを特徴とする前記 （4 ) 記載の八 ィ ドロフォーム加工部品。

( 6 ) 前記ナッ トの横断面形状が、 前記ナッ トの軸方向で異なる ことを特徴とする前記 （ 4 ) 又は （ 5 ) 記載のハイ ドロフォーム加 ェ部品。

( 7 ) 前記ナッ ト全体が、 金属管の外表面より管の内面側に埋め 込まれていることを特徵とする前記 （ 4 ) 〜 （ 6 ) の何れかに記載 のハイ ドロフォーム加工部品。

( 8 ) 前記バーリング加工部の先端の穴径が、 前記ナッ トの外径 よりも小さく、 前記パーリ ング加工部が前記ナツ 卜の内面側コーナ 一まで覆っていることを特徴とする前記 （ 4 ) 〜 （ 7 ) の何れかに 記載のハイ ドロフォーム加工部品。

( 9 ) 前記ナツ 卜の側面に凹状又は凸状のディ ンプルを有するこ とを特徴とする前記 （4 ) 〜 （ 8 ) の何れかに記載のハイ ドロフォ ーム加工部品。

(10) 前記ナッ トと金属管が溶接されていることを特徴とする前 記 （ 4 ) 〜 （ 9 ) の何れかに記載のハイ ド口フォーム加工部品。

(11) 前記 （4 ) 〜 （10) の何れかに記載のハイ ド口フォーム加 ェ部品と一体にポル卜締結されていることを特徴とする構造体。 本発明により、 従来はハイ ド口フォーム成形品にポルト締結用の ナツ 卜を取付ける際に必要となった短管部材を省略すること、 ナツ トを取付けるためにハイ ドロフォーム成形の難易度が増さないよう にすること、 ポルト締結する際に十分な強度を確保できるようにナ ッ ト長さを長くすること、 薄肉のハイ ド口フォーム成形品にも適用 できることが可能になる。 それにより、 ハイ ド口フォーム後に他部 品とポルト締結することが容易になり、 ハイ ドロフォームを適用可 能な自動車部品の範囲が拡大される。 その結果、 自動車の軽量化が 進んで燃費向上に繋がり、 地球環境の改善にも貢献できる。 また、 従来必要であった短管部材を省略できることからコス ト削減にも寄 与できる。 図面の簡単な説明

図 1は、 従来のピアシング方法の説明図を示す。

図 2は、 従来のプレス加工品と他部品との結合方法の説明図を示 す。

図 3は、 従来のハイ ドロフオーム成形品の外側にナツ トを溶接し て他部品とポルト締結した場合の説明図を示す。

図 4は、 特開 2002— 45926号公報より抜粋したハイ ドロフォーム 成形品にナッ トを取付ける方法の説明図を示す。

図 5は、 特開 2003— 334625号公報より抜粋したハイ ドロフォーム 成形品にナツ トを取付ける方法の説明図を示す。

図 6は、 特開 2005— 297060号公報より抜粋したハイ ドロフォーム 成形品にパーリング加工を施して直接タツプ加工する方法の説明図 を示す。

図 7は、 本発明のハイ ドロフォーム成形品に埋め込みナツ トを取 付ける方法の説明図を示す。 （ a ) 穿孔前、 （b) 穿孔後、 （ c ) 埋め込み後、 （ d) 完了後を、 各々示している。

図 8は、 本発明のハイ ドロフォーム成形品に埋め込みナッ トを取 付ける方法の中の二次ピアスパンチを用いる方法の説明図を示す。

( ) 穿孔前、 （ b) 穿孔後、 （ c ) 埋め込み後、 （ d ) 完了後の 状態を、 各々示している。

図 9は、 本発明のナッ トを埋め込んだハイ ド口フォーム成形品、 及び当該ハイ ドロフォーム成形品と他部品とをポルト締結した構造 体の説明図を示す。 （ a ) 埋め込み後 （断面図は外観図の A— A断 面を示す） （b) ポル卜締結後 （断面図は外観図の A— A断面を示 す）

図 10は、 本発明の埋め込みナッ トの横断面形状の例を示す。 （ a ) 6角形、 （ b ) 楕円、 （ c ) 直線と曲線の組合せ、 （ d) 曲線の 組合せを、 各々示している。

図 11は、 本発明の埋め込みナッ トの縦断面形状の例を示す。 （ a ) 管内面側が大径、 （b ) 管内面側が小径、 （ c ) 中央部分が大径 、 ( d) 中央部分が小径、 （ e ) 内面側につば、 （ f ) 側面に溝 図 12は、 埋め込みナツ 卜の管外表面側の面がハイ ドロフォーム成 形品の外表面より内面側に埋め込まれた場合の本発明の説明図を示 す。 （ a) 食い込み部を管外面側に有する場合、 （ b ) 潰された食 い込み部を有する場合を各々示している。

図 13は、 パーリ ング加工部の先端の穴径がナツ 卜の外径よりも小 さくなつている場合の本発明の説明図を示す。

図 14は、 パーリ ング加工部の先端の穴径がナツ 卜の外径よりも小 さくなるような構造を得るための加工方法の例を示す。 （ a ) 穿孔 前、 （ b ) 穿孔後、 （ c ) 埋め込み後、 （ d) 完了後の状態を、 各 々示している。 図 15は、 本発明の側面にディ ンプル加工が施された埋め込みナツ トの説明図を示す。 （ a ) 凹状のディ ンプル、 （ b ) 凸状のディ ン プルを、 各々示している。

図 16は、 埋め込みナッ トとハイ ド口フォーム成形品とを溶接で固 定した場合の本発明の説明図を示す。 断面図は外観図の A— A断面 を示す。

図 17は、 実施例に用いたハイ ドロフォーム金型の説明図を示す。 図 18は、 実施例に用いたハイ ドロフォーム下金型に組み込まれた ピアスパンチの構造の説明図を示す。 （ a ) —次ピアスパンチのみ の場合、 （b ) 二次ピアスパンチも有する場合を、 各々示している 図 19は、 実施例に用いた埋め込みナッ トの説明図を示す。 （ a ) 真円断面、 （b ) 楕円、 （ c ) 真円で樽型形状、 （ d ) 真円で側面 にディ ンプルを、 各々示している。

図 20は、 実施例に用いたハイ ドロフォーム下金型に組み込まれた ピアスパンチの構造のうち、 初期にナツ ト表面が金型内部に突き出 している場合の説明図を示す。 発明を実施するための最良の形態

本発明では、 まず通常のハイ ド口フォーム加工を実施する。 通常 のハイ ドロフォーム加工とは、 管材を上金型と下金型の間に装着し 、 管材内部に水等の圧力媒体を充満させ、 その圧力を高めると同時 に、 必要に応じ管端から軸押しパンチで軸方向に材料を押し込むこ とで管材を上金型と下金型の内面に沿わせた形状に成形する加工方 法である。 図 7は、 上記の通常のハイ ド口フォーム加工によってハ イ ド口フォーム成形品 1 を成形した後に続けて下金型 3からナッ ト 17を埋め込む工程を示している。 本例では、 下金型 3の方向から後 述するピアスパンチ 16の先端部 18の外径より大きく中間部 19の外径 より小さい内径を有するナツ ト 17をハイ ドロフォーム成形品 1 に埋 め込む例であり、 当該箇所のみ拡大して記載している。 以後、 本図 を用いて、 本発明の詳細を説明する。 なお、 以後の説明で、 上面と は、 本図における上方の面を指し、 下面とは、 本図における下方の 面を指す。 即ち、 紙面の上方から下方に穿孔する場合は、 上面と下 面が逆になる。

下金型 3内部には一次ピアスパンチ 16が組み込まれている。 一次 ピアスパンチ 16は、 図中の上から小径の先端部 18と大径の中間部 19 と小径の後端部 20という構造になっている。 後端部 20の更に下方に はシリ ンダが設置されており （図示しない） 、 当該シリンダを用い て当該一次ピアスパンチ 16を上昇できる構造になっている。 なお、 本例では小径の後端部 20を設けたが、 これを省略して大径の中間部 19の下面を直接シリ ンダで押しても構わない。

一方の下金型 3に設けられた穴形状は、 内径が三段階に変わる構 造となっており、 図中の上から先端部 21、 中間部 22、 後端部 23と、 下方ほど狭い内径になっている。 当該中間部 22の内径と上述の一次 ピアスパンチ中間部 19の外径が略等しくなつており、 当該箇所を基 準にして一次ピアスパンチ 16は上昇する。 なお、 当該中間部 22の深 さは一次ピアスパンチ中間部 19の高さよりも大きく しておく。 また 、 当該後端部 23の内径は上述の一次ピアスパンチ後端部 20の外径よ りも大きくなつている。

図 7 ( a ) の状態は、 ハイ ド口フォーム成形中を示しており、 管 内部に圧力媒体 5で高圧が負荷され、 ハイ ド口フォーム成形品 1が 下金型 3表面に張り付いた状態となっている。 この時点では、 一次 ピアスパンチ中間部 19の下面と下金型穴後端部 23上面が接触してお り、 ハイ ド口フォームによって内圧が負荷された状態でも、 その位 置より下方には一次ピアスパンチ 1 6が降下しないようになっている 。 なお、 一次ピアスパンチ先端部 18は、 環状の埋め込みナッ ト 1 7の 中央穴部分を通して配置され、 ピアスパンチ先端部 18の上面は、 こ の時点では下金型 3の表面と同じ高さになる。

埋め込みナッ ト 1 7の外径は前述の下金型穴先端部 2 1の内径より小 さく しておき、 高さは下金型穴先端部 2 1の深さと等しくする。 また 、 埋め込みナッ ト 17の内側にタップ 24を施しておき、 タップ 24の山 部の内径は前述の一次ピアスパンチ先端部 18の外径より も大きく し ておく。 以上のような寸法に設定しておく と、 図 7 ( a ) の状態で 埋め込みナツ 卜 1 7は、 下金型穴中間部 22の上面の位置に置かれた状 態となり、 しかも埋め込みナツ ト 17上面 Aの位置は下金型 3表面お よび一次ピアスパンチ先端部 1 8上面の位置と等しくなる。

次に、 図 7 ( b ) のように、 ハイ ド口フォーム成形品 1の内部を 高圧に保持したまま一次ピアスパンチ^の先端部 1 8を埋め込みナツ 卜 1 7を通して上昇 （前進） させる。 一次ピァスパンチ先端部 18の上 面コーナ —25は Rを取らずにシャ一プにしてある。 そのため、 八ィ ドロフ才 —ム成形品 1が穿孔され金属片 7が分離する いわゆる図

1 ( a ) で説明したピァシングが行われる

図 7 ( c ) のように 、 更に一次ピアスパンチ 1 6を上昇させると、 一次ピアス中間部 1 9は一次ピアスパンチ先端部 1 8よりも径が大きい ため、 一次ピアスパンチ中間部 19の上面で埋め込みナツ ト 1 7が上方 に押される。 ただし、 埋め込みナッ ト 17の上面 （内面側） コーナー 26は Rが施されてあるため、 ハイ ド口フォーム成形品 1 に押し込ま れても穿孔されない。 これは図 1 ( b ) で説明したのと同じ効果で あり、 ピアスパンチ先端のコーナー Rが大きいとハイ ドロフォーム 成形品 1がせん断されないからである。 その結果、 埋め込みナッ ト 1 7の上昇に伴い、 前述の工程 （b ) で空けられた八イ ド口フォーム 成形品 1の穴が押し広げられ、 ハイ ドロフォーム成形品 1 の内面側 にパーリ ング加工部 27が成形される。

また、 図 7 ( c ) のように一次ピアスパンチ 1 6の上昇する最終的 な高さを、 中間部 1 9の上面がちょうど下金型 3の表面と同じ高さと なるようにしておく と、 埋め込みナツ ト 17の下面 Bが八ィ ドロフォ ーム成形品 1の外表面と同じ位置になる。

最後に図 7 ( d ) のように一次ピアスパンチ 1 6を下方に後退する と、 埋め込みナッ ト 1 7のみがバーリング加工部 27内に残る。 なお、 一次ピアスパンチ 1 6を後退するタイミングには何種類かある。 例え ば、 内圧を維持したまま一次ピアスパンチ 1 6を後退すると、 自動的 に内部の水が漏れて内圧が降下する。 サイクルタイム的にはこの方 法が好ましいが、 水の飛散等の問題がある。 一方、 予め内圧を降下 させた後に一次ピアスパンチ 1 6を後退すると水は飛散しにくいが、 サイクルタイムは長くなる。 また、 ハイ ド口フォーム成形品 1 を下 金型 3から取り出した後に一次ピアスパンチ 1 6を後退させることも あり得る。 この場合は、 ハイ ド口フォーム成形品 1 を取り外す際に 埋め込みナツ ト 17のタップ 24を損傷しないように注意する必要があ る。 但し、 本発明の場合、 一次ピアスパンチ 1 6の駆動方向は上方だ けでよく、 後退させる場合は、 ハイ ド口フォーム成形品 1 を取り出 した後に手動あるいは口ポッ ト等で下方に押し込むことも可能とな る。 特に連続的に加工する場合は、 次の加工のために埋め込みナツ 卜 17を設置する必要があるため、 その際に一次ピアスパンチ 16も下 方に押し込めばよい。

以上のような図 7を用いた一連の説明は、 ピアスパンチが一次ピ ァスパンチ 1 6のみの場合である。 しかし一次ピアスパンチ 1 6は、 ま ずハイ ドロフォーム成形品 1 を穿孔する必要があるため、 材質的に は工具鋼等の非常に硬い材料を用いることが多い。 一方、 ナッ トに は通常軟鋼を用いる場合が多い。 従って、 埋め込みナッ ト 17の下面 が、 一次ピアスパンチ中間部 19の上面で押し付けられて凹む可能性 がある。 それを防ぐためには図 8に示すように二次ピアスパンチ 28 を埋め込みナツ ト 17とピアスパンチ中間部 19との間に追加すればよ い。 二次ピアスパンチ 28の外径は下金型穴先端部 2 1の内径と略等し く し、 高さに関しては、 埋め込みナッ ト 17の高さとの合計を下金型 穴先端部 21の深さと同じにする。 材質は、 硬い方が望ましく、 一次 ピアスパンチ中間部 19の上面の押し込みで凹まないようにする。 ま た、 二次ピアスパンチ 28と埋め込みナツ ト 17は広い面積で接蝕する ため、 ナッ ト 17に凹み部が生じる危険性は低下する。 また、 数種類 の高さの二次ピアスパンチ 28を準備しておけば、 埋め込みナツ ト 17 の高さが変わった場合にも、 一次ピアスパンチ 16や下金型 3の穴形 状を変えることなく容易に対応できる。

以上のような穿孔装置を用いて加工すると、 例えば図 9 ( a ) の ように、 ハイ ドロフオーム成形品 1の内面側にパーリング加工部 27 が成形され、 当該箇所に埋め込みナッ ト Πが取付けられた八ィ ドロ フォーム加工部品が得られる。 すなわち、 従来技術の特開 2002— 45 926号公報ゃ特開 2003— 334625号公報で必要であつた短管部材を付 けることなく、 ナッ トを埋め込まれたハイ ド口フォーム加工部品が 得られる。 また、 本発明ではナッ トの埋め込み以前にハイ ドロフォ ーム成形は完了しているため、 ナッ トを埋め込むためにハイ ドロフ オーム成形の難易度が増すことはない。

上記で得られたナツ 卜の埋め込まれたハイ ドロフォーム加工部品 に他部品 1 1を取付けポルト 29で固定すると、 図 9 ( b ) のような構 造体が得られる。 本発明では上述のようにハイ ド口フォーム成形の 難易度が増さないため、 埋め込むナッ トの高さは自由に変えられる 。 よって、 ポルト締結強度を高めるために、 埋め込むナッ ト高さを 高く して有効ネジ長さを増やすことは容易である。 また、 埋め込み ナッ ト Πを取り付けている箇所では、 ハイ ド口フォーム成形品 1 を 貫通する穴が空いているため、 取付けボルト 29をハイ ドロフォーム 成形品 1の内部にまで貫通させて挿入することが可能である。 よつ て、 取付けポルト 29と埋め込みナツ トとが勘合する有効ネジ長さに 関しても、 特開 2002— 45926号公報ゃ特開 2003— 334625号公報の従 来技術よりも有利となる。 また、 本発明では、 埋め込みナツ 卜 17の 厚みも自由に変えられるため、 特開 2005— 297060号公報の従来技術 では適用できなかった薄肉のハイ ド口フォーム成形品にも適用可能 となる。

本発明では、 高内圧下で埋め込みナッ ト Πをハイ ドロフォーム成 形品 1 に取り付けるため、 それだけでも、 埋め込みナッ ト 17とハイ ドロフォーム成形品 1 とは強固に嵌め合っている。 しかし、 部品に よっては、 より強固な取り付け強度が要求される場合もあるため、 以下に、 取り付け強度を増加させるための方法を説明する。

まず、 ネジ締結する際及び他部品との取り付け後に、 埋め込みナ ッ ト Πが回転しないための強化方法を述べる。 埋め込みナツ ト Πの 横断面が円形だと回転しやすくなるため、 図 10に示すような横断面 形状の埋め込みナツ 卜 17が有効である。 同図 （ a ) は六角形の埋め 込みナツ ト 30の例であるが、 六角形以外にも八角形等の多角形形状 でもよい。 ただし、 六角形の埋め込みナッ ト 30を埋め込んでパーリ ング加工する際に、 六角形の角部 31の箇所でハイ ドロフォーム成形 品 1が割れる危険性があるため、 六角形の角部 3 1のコーナー Rは極 力大きく しておく ことが望ましい。 また、 六角形の埋め込みナッ ト 30の場合は、 市販の六角ナッ トをそのまま、 あるいは角部の; Rを若 干大きくするだけで対応できるためコスト的に有利である。

同図 （b ) は横断面形状が楕円形の埋め込みナッ ト 32の例である 。 楕円形の場合は、 多角形の場合のような角部が存在しないため、 バ一リング加工時の割れは生じにくいという利点がある。 ただし、 ナツ トを製作する上でのコス卜は高くなる。

それに対し、 同図 （ C ) は横断面形状が円形断面の一部をカッ ト したナッ ト 33の例である。 楕円形の場合とほぼ同じ効果があり、 か つ、 ナッ トの製作コス トも楕円形の場合より安い。 このように、 横 断面形状の輪郭が直線と曲線を組み合わせた形状でもよい。

更に、 同図 （ d ) は、 横断面形状の輪郭が曲線を組み合わせた形 状の埋め込みナツ ト 34の例である。 形状が複雑になると、 ナツ 卜製 作コス トゃバーリング時の割れに対しては不利になるが、 ナッ トの 回転を防ぐ効果は高くなる。

次に、 埋め込みナツ ト 17がハイ ドロフォーム成形品 1 の外面側あ るいは内面側に外れることを防ぐための効果的な方法に関して述べ る。 図 1Uこナッ トの縦断面形状を示すように、 埋め込みナッ トの横 断面を軸方向に一定でない形状にするとよく、 それぞれの具体的な 例を以下に説明する。 （ a ) は、 管内面側が管外面側よりも大径と なるようなテーパ形状の埋め込みナッ ト 35である。 当該ナッ ト 35を 埋め込んでいく初期の段階では、 バ一リング加工部 27は大径に穴広 げされるが、 高圧が負荷されているため、 内面側に埋め込まれてい くに従い、 パーリング加工部 27の立ち上がり部は小径に縮径されて いく。 その結果、 （ a ) のような形状でナッ ト 35が埋め込まれ、 管 外面側にナツ ト 35が外れにくい構造となる。

逆に、 管内面側が管外面側よりも小径となるようなテーパ形状の 埋め込みナッ ト 36を用いると、 同図 （b ) のように管内面側に外れ にくい構造となる。

上記 （ a ) と （b ) の利点を兼ね備えた形状が （ c ) と （ d ) で ある。 （ c ) は、 軸方向における中央部分が、 軸方向における両端 部分よりも大径になっている樽状の埋め込みナッ ト 37の例であり、

( d ) は、 中央部分が小径になっている鼓状の埋め込みナッ ト 38の 例である。 いずれの場合も管の内面側及び外面側にナツ トが外れに くい構造となる。

' また、 埋め込みナツ 卜の断面は連続的に変わっている必要はなく 、 ( e ) のように段差が付いたつば付き埋め込みナッ ト 39でも良い 。 本例では、 管の内面側につば 40が付いており、 バーリ ング加工部 27の先端が、 つば 40に引っ掛かる構造となっており、 管の外面側へ ナツ トが外れにくい構造となっている。

また、 （ f ) の例のように、 ナッ トの側面に 1ケ所あるいは複数 箇所、 溝 42を設けた埋め込みナッ ト 4 1も有効である。 当然、 溝でな く、 凸部があっても同様の効果が見込める。

次に、 埋め込みナツ ト 17の位置によって管外面側への外れを防止 する方法を述べる。 図 1 2 ( a ) に示すように、 埋め込みナッ ト 1 7の 管外表面側の面 Bがハイ ド口フォーム成形品 1 の外表面よりも管内 面側に位置するまでナッ トを埋め込む。 すると、 内圧の作用により 、 バーリング加工部 27の立ち上がり部で食い込み部 43が設けられ、 管外面側にナッ トが外れにくい構造となる。 更に、 同図 （b ) のよ うに、 取り付けポルト 29を用いて他部品 1 1を結合すると、 取り付け ポルト 29の締付けと共に食い込み部 43が潰され、 ナツ トがより外れ にくい構造になる。

反対に、 埋め込みナッ ト 17の管内面側にバーリ ング先端部 44を残 し、 バーリング加工部の先端の穴径をナッ トの外径よりも小さく し 、 バ一リング加工部がナッ トの内面側コーナー 26まで覆った例が図 1 3である。 このような構造にすると埋め込みナッ ト 1 7は管内面側に 外れにく くなる。 また、 埋め込みナッ ト 17の外径までバーリ ング加 ェ部の先端の穴径を広げる場合に比べると、 ピアシング穴を広げる 率が低くなるため、 ハィ ド、 Pフォーム成形品 1 の材料が穴広げ率の 低い場合に有利となる

上記のように、 バー Uング先端部 44を埋め込みナツ 卜 17の外径ま で広げないようにするには 、 埋め込みナッ ト の高さを低くすれば よい。 しかし、 その場合 、 ネジの締結強度も低下してしまうため、 埋め込みナツ ト Πの高さが高いまま、 図 1 3のような構造となるため の方法を次に述べる。 図 14 ( a ) のように、 ピアシング前のハイ ド 口フォーム成形の時点で、 一次ピアスパンチ 1 6及び埋め込みナツ ト 1 7の上面 Aを下金型 3の内面よりも管内面側に突き出した状態にし ておく。 このように突き出した状態は、 例えば、 下金型穴の先端部 2 1の深さを埋め込みナッ ト 17の高さよりも小さく設定したり、 一次 ピアスパンチ先端部 1 8及び二次ピアスパンチ 28の長さを高く設定し たりすること等によって達成可能である。 その状態のまま、 （b ) のようにピアシングし、 更に （ c ) のようにバーリングして埋め込 みナッ ト 1 7をハイ ド口フォーム成形品 1 に埋め込む。 この （ c ) の 工程でピアスパンチ上昇ス トロークを小さくすることができるため 、 その分、 ピアシング穴を広げる率が小さくなる。 その結果、 （ d ) のように、 埋め込みナッ ト 17の高さが高い場合でも図 1 3のような 構造が得られる。

更に、 図 1 5に、 埋め込みナッ トの側面にディ ンプルを設けた例を 示す。 （ a ) は凹状のディ ンプル 46を施した埋め込みナッ ト 45、 ( b ) は凸状のディ ンプル 48を施した埋め込みナツ ト 47の例である。 何れの例でも、 ナッ ト側面にディ ンプルを設けると、 埋め込みナツ トの回転も抑制でき、 また管の内面側及び外面側へ外れることも抑 制できる。

以上のような手段を用いると、 埋め込みナッ ト 17はハイ ドロフォ —ム成形品 1より外れにく くなるが、 更に強固に固定するためには 、 図 16に示すように、 埋め込んだ後に、 埋め込みナッ ト Πとハイ ド 口フォーム成形品 1を溶接すると効果的である。 溶接は、 図に示す ような全周溶接でも良いが、 何点か点付け溶接するだけでも効果が ある。 溶接方法も MIGや TIG等のアーク溶接でもよいし、 レーザー溶 接でも構わない。 実施例

素管には外径 63.5mm、 肉厚 2.3ππη、 全長 490mmの鋼管を用い、 鋼種 は機械構造用炭素鋼鋼管の STKM13Bを採用した。 ハイ ドロフォーム に用いた金型は図 17に示すような長方形断面に拡管する形状である 。 ピアスパンチは下金型 3の中心に組み込んだが、 その構造を図 18 に示す。 二次ピアスパンチ 28を使用しない場合 （ a) と使用する場 合 （b ) の 2種類行ったが、 何れも、 一次ピアスパンチ先端部 18の 外径を 10min、 中間部 19の外径を 15龍、 下金型穴先端部 21の内径を 20 mm, 中間部の内径を 15.10mmとした。 また一次ピアスパンチ 16が、 初期位置から埋め込みナツ ト Πまたは二次ピアスパンチ 28の下面に 接触するまでのス トロークは 8mmとした。 下金型穴先端部 21の深さ は、 二次ピアスパンチ 28のない （a) では 7mm、 二次ピアスパンチ 28のある （ b ) では、 20fflm (= 7mni+二次ピアスパンチ高さ 13mm) とした。 また、 埋め込みナッ ト 17または二次ピアスパンチ 28の下面 に接触した後のス トロークは 7匪とした。 すなわち、 最終時点では ( a ) ( b ) 何れの場合も埋め込みナッ ト 17の下面がちょうど八ィ ドロフォーム品 1の外面高さと等しくなるように設定した。 なお、 金型類の鋼種としては、 上金型 2及び下金型 3には S50 一次ピア スパンチ 16には SKH51、 二次ピアスパンチ 28には SKD11を選定した。 埋め込みナッ トの形状は図 19に示すような 4種類を用いた。 （ a ) は基本的な形状として 20Φの真円断面の円筒形状、 （b ) は 20践 X 18mmの楕円断面の円筒形状、 （ c ) は真円断面で中央が膨らんで いる樽型形状、 （ d ) は （ a ) と同一形状で表面に 2. 5 φのディ ン プルが施されている形状である。 何れもナッ ト高さは 7 mmで、 中央 に M12のタツプ加工を施した。

以上のような、 素管、 加工装置 （金型） を用いて各種ナッ トをハ ィ ドロフォーム加工品にそれぞれ埋め込む試験を実施した。 ハイ ド 口フォームの条件としては、 最大内圧 200MPa、 両端の軸押し量 50MI で成形した。 成形後、 圧力を 200MPaのまま保持して一次ピアスパン チ 16を埋め込みナツ ト 17の穴部分を通して押し込んで各ナツ トを八 イ ド口フォーム成形品 1 に埋め込んだ。 すなわち、 まず一次ピアス パンチ先端部 18で 10Φの穴を穿孔し、 そのままス トローク 8 mm上昇 した後、 埋め込みナッ ト 17も共に上昇し、 10 Φの穴を広げながらそ のバーリング箇所にそれぞれのナツ トを埋め込んだ。 埋め込みナツ 卜 17の上昇ス トロークは 7 mmとしたため、 最終的には埋め込みナツ ト 17の下面とハイ ドロフォーム成形品 1の外表面とが同じ高さにな つた。

その結果、 図 19 ( a ) 〜 （d ) の何れのナッ トもハイ ド口フォ一 ム成形品 1 に埋め込むことができ、 埋め込み後に金型から取り外し てもナッ トが外れることはなかった。 ナッ ト埋め込み中は、 内圧は ほとんど降下しなかったため、 埋め込み部周辺のハイ ドロフォーム 成形品 1の形状も良好であつたし、 パーリ ング加工部 27で割れが発 生することもなかった。 なお、 二次ピアスパンチがない場合とある 場合とで両方試験したが、 何れも同様にナツ 卜を埋め込むことがで きた。 ただし、 二次ピアスパンチがない場合は、 加工後に若干ナツ ト表面に一次ピアスパンチの押し込み疵が観察されたため、 外観が 気になる部品の場合には二次ピアスパンチを設ける方が望ましいと 言える。 ナッ トの横断面を図 10 ( a ) , ( c ) , ( d ) に示す形状や、 縦 断面を図 11 ( a ) ， ( b ) ， ( d) 〜 （ f ) に示す形状に変えても 、 同様に埋め込むことができた。

次に、 図 18 ( a ) と同じピアス構造で図 19 ( a ) のナッ トを埋め 込む試験で、 埋め込みナッ トの上昇ストロークのみ 7 mmから ΙΟππηに 変えた。 その結果、 鋼管の外表面側におけるナッ トの面 Βがハイ ド 口フォーム成形品 1 の外表面より 3 mm上の位置まで埋め込まれ （図 12 ( a ) 参照） 、 しかも図 12 ( a ) に示すように、 ナッ トより下の 部分ではバーリング加工部分が食い込むような形状が得られた。

また、 図 20に示すようなピアスパンチ構造で図 19 ( a ) のナッ ト を埋め込む試験も実施した。 この場合は、 一次ピアスパンチ先端部 18と二次ピアスパンチ 28の長さを 3 nun増加しているため、 ナッ トを セッ 卜した初期状態で、 ナツ ト上面が下金型 3の表面より 3 mm上の 位置 （管の内側） になる。 この程度であればハイ ド口フォームの条 件を変えずに成形できた。 そして成形後にピアスパンチを押し込ん でナツ トを埋め込んだが、 埋め込みナツ トのス トロ一クは 4 mmに設 定したため、 最終的なナツ ト下面の位置はハイ ドロフォーム成形品 1の外表面と同じ高さになった。 ただし 4 mmしか押し込んでいない ため穴径は完全にナッ ト径 20Φまで広がらずに 17φで終了した。 よ つて、 バーリング加工部の先端の穴径がナツ 卜の外径よりも小さく 、 バーリング加工部がナッ トの内面側コーナーまで覆って、 ナツ 卜 の上面を一部覆った形の構造が得られた。

以上のように全てのケースで問題なくナツ トをハイ ドロフォーム 成形品 1 に埋め込むことができた。 次に、 他部品の例として 14Φの 穴の空いた板厚 3 mmの鋼板を用い、 上記で得られた埋め込みナッ ト 付きのハイ ドロフォーム成形品と M12X長さ 20mmの六角ポルトで固 定した。 その結果、 上述の何れのケースでも問題なく他部品とのポ ルト締結ができた。 また、 図 19 ( a ) のナツ 卜が取り付いたハイ ド 口フォーム成形品の中の一体を、 ナツ 卜とハイ ドロフォーム成形品 とを TIGで全周溶接し、 他の一体を手溶接でスポッ ト溶接した。 そ の成形品と他部品とも問題なくポルト締結することができた。 産業上の利用可能性

本発明は、 金属管を金型に入れて所定形状に成形する八ィ ドロフ オームにおいて、 その成形中に当該金型内部に組込まれた穿孔用パ ンチで金属管を穿孔し、 例えば自動車用の排気系部品、 サスペンシ ヨ ン系部品、 ボディ系部品等の製造に用いられるハイ ド口フォーム 加工部品に加工する際に特に有用である。

Claims

1 . 挿入される金属管の管軸と直角又は斜め方向に移動自在で先 端部が中間部に比して細径となっており、 前記先端部の周囲に、 前 記先端部の外径より大きく前記中間部の外径より小さい内径を有す るナッ トが配置されている穿孔パンチを有する分割金型に金属管を 請

挿入し、 前記金属管に内圧と管軸方向の押し力、 又は内圧を負荷し てハイ ドロフォーム加工を行い、 前記穿孔パンチを前進させ前記金 属管の一部を前記穿孔パンチの先端部で穿孔後、 前記ナッ トを、 前 記ナッ トの後方に配置した前記中間部で押しながら前記ナッ トを前 進させ、 穿孔した穴の周囲を前記金属管の囲内面側に押し込みつつ、 前記ナツ トを金属管に埋め込むことを特徴とするハイ ドロフォーム を用いた穿孔方法。

2 . 金属管が装着される分割金型と、 内圧付与手段及び軸押し手 段を有したハイ ド口フォーム成形装置における穿孔装置であって、 金属管の管軸と直角又は斜め方向に移動自在で先端部が中間部に 比して細径となっている穿孔パンチを有し、 前記穿孔パンチの先端 部の周囲にナツ 卜が配置され、 前記ナツ 卜の内径は前記先端部の外 径より大きく前記中間部の外径より小さく、 前記穿孔パンチは、 前 進と共に前記金属管を先端部で穿孔した後、 穿孔した穴の周囲を前 記ナッ トで前記金属管の内面側に押し込みつつ、 前記ナッ トを金属 管に埋め込む機能を有することを特徴とするハイ ドロフォームの穿 孔装置。

3 . 前記穿孔パンチの先端部の周囲で、 かつ前記ナッ トと前記穿 孔パンチの中間部の間に 2次パンチを有することを特徴とする請求 項 2記載のハイ ドロフォームの穿孔装置。

4 . 金属管の側壁部に開口部を有するハイ ドロフォーム加工部品 であって、 前記開口部は金属管の内面側に向かったバ一リング加工 部を有し、 当該バーリング加工部の内側にナツ 卜が埋め込まれてい ることを特徴とするハイ ドロフォーム加工部品。

5 . 前記ナッ トの横断面形状が、 多角形若しくは楕円形からなる か、 又は前記ナッ トの横断面形状の輪郭が、 直線と曲線の組合せ若 しくは曲線の組合せからなることを特徴とする請求項 4記載のハイ ドロフオーム加工部品。

6 . 前記ナッ トの横断面形状が、 前記ナッ トの軸方向で異なるこ とを特徴とする請求項 4又は 5記載のハイ ドロフォーム加工部品。

7 . 前記ナッ ト全体が、 金属管の外表面より管の内面側に埋め込 まれていることを特徴とする請求項 4〜 6の何れか 1項に記載のハ イ ドロフオーム加工部品。

8 . 前記バーリング加工部の先端の穴径が、 前記ナッ トの外径よ りも小さく、 前記バーリング加工部が前記ナッ トの内面側コーナー まで覆っていることを特徴とする請求項 4〜 7の何れか 1項に記載 のハイ ドロフォーム加工部品。

9 . 前記ナツ 卜の側面に凹状又は凸状のディ ンプルを有すること を特徴とする請求項 4〜 8の何れか 1項に記載のハイ ドロフォーム 加ェ部品。

10. 前記ナツ 卜と金属管が溶接されていることを特徴とする請求 項 4〜 9の何れか 1項に記載のハイ ド口フォーム加工部品。

1 1. 請求項 4〜 10の何れか 1項に記載のハイ ドロフォーム加工部 品と一体にボルト締結されていることを特徴とする構造体。