(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
雌型キャビティ内に保持された管状の金属素材に該素材が自由バルジしない程度の初期液圧を負荷させた状態において、雌型キャビティ内を相対移動する雄型を作動させて前記素材を四角形以上の多角形断面を備えた部材に成形する液圧成形方法であって、
多角形断面を構成する各辺のうちの少なくとも２辺を前記雄型により成形すると共に、当該雄型により成形される部分の断面周長を雄型に接触する直前の長さよりも短く成形して、雄型により成形される辺のうちの少なくとも１辺の成形品板厚を素材の初期板厚よりも増加させることを特徴とする多角形断面部材の液圧成形方法。
【請求項２】
多角形断面のうちの少なくとも１辺の板厚を素材の初期板厚に対して３％以上増加させることを特徴とする請求項１記載の多角形断面部材の液圧成形方法。
【請求項３】
雌型キャビティ内に保持された素材に対して相対向する位置に配した雄型を同時に移動させて成形することを特徴とする請求項１または請求項２記載の多角形断面部材の液圧成形方法。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の液圧成形に用いる成形型であって、管状の金属素材を収容するキャビティを備えた雌型と、雌型のキャビティ内に収容された前記素材に対して雌型キャビティ内を相対的に移動して多角形断面のうちの少なくとも２辺を成形する雄型を備え、該雄型が雌型キャビティの雄型との摺接面に対して１３５〜１６５°の範囲の角度をなす成形面を有する突起を備えていることを特徴とする液圧成形型。
【請求項５】
雄型の横断面における前記突起の成形面の長さＬと素材の初期板厚ｔ０との比Ｄ（Ｌ／ｔ０ ）が４〜７．５の範囲であると共に、前記成形面と雌型キャビティの雄型との摺接面のなす角度θが（１０Ｄ＋６８）°以上であることを特徴とする請求項４記載の液圧成形型。
【請求項６】
管状の金属素材から請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の液圧成形方法によって成形された多角形部材であって、多角形断面を構成する各辺のうちの少なくとも１辺の板厚が隣接する辺の板厚よりも厚く、かつ素材の初期板厚に対して３％以上増加させてあることを特徴とする自動車用多角形断面部材。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば自動車用部材として用いられる、とくに四角以上の多角形断面を備えた中空部材の液圧成形方法および液圧成形型、さらにはこのような成形方法や成形型によって成形される自動車用の多角形断面部材に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
上記のような液圧成形方法としては、例えば、第４８回塑性加工連合講演会講演論文集、第３７３頁に発表された方法が知られている。
【０００３】
すなわち、前記論文集に記載された成形方法は、成形型内にセットした素材管に軸力を加えて軸方向に圧縮変形させつつ、素材管の内部に液体の圧力を作用させることによって目的とする型の形状に管材がなじむまで拡管成形する方法である。すなわち、素材の初期管径に対して成形すべき目的の断面寸法が大きい場合、液圧による拡管成形だけでは、材料の伸びが大きくなるために板厚減少が顕著になって割れが発生しやすくなることから、素材管に軸力を加えて軸方向に材料の移動を発生させ、板厚減少を抑制することによって割れの発生を防止し、成形性を確保して、所望形状の部品の成形を行おうとするものである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来の液圧成形においては、拡管成形が前提となっていたため、多角形断面部材の各辺の板厚は素材管の初期板厚に比して減少する。特に部材の中心から離れた部位の板厚減少が著しく、割れが発生しやすくなる。つまり、液圧成形における軸押しは、部材全体の板厚を増すのには有効であっても、多角形断面部材の断面内の特定の辺の板厚を増加する手段にはなり得ず、部材に与えられる板厚分布は拡管による材料の伸びの発生にまかせた成形のままの板厚分布となり、断面内の各辺の板厚を制御して所望の板厚分布を得ることは困難であり、このような問題点を解消することが従来の液圧成形における課題となっていた。
【０００５】
【発明の目的】
本発明は、従来の液圧成形における上記課題に着目してなされたものであって、多角形断面を備えた中空部材を液圧成形するに際して、多角形のうちの特定の辺の板厚を素材の初期板厚よりも厚くすることができ、板厚増加と成形による加工硬化とによって成形品の機械的強度を向上させることができる多角形断面部材の液圧成形方法、およびこのような成形に用いる液圧成形型、さらにはこのような成形方法や成形型によって得られる自動車用多角形断面部材を提供することを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１に係わる液圧成形方法は、雌型キャビティ内に保持された管状の金属素材に該素材が自由バルジしない程度の初期液圧を負荷させた状態において、雌型キャビティ内を相対移動する雄型を作動させて前記素材を四角形以上の多角形断面を備えた部材に成形する液圧成形方法であって、多角形断面を構成する各辺のうちの少なくとも２辺を前記雄型により成形すると共に、当該雄型により成形される部分の断面周長を雄型に接触する直前の長さよりも短く成形して、雄型により成形される辺のうちの少なくとも１辺の成形品板厚を素材の初期板厚よりも増加させる構成とし、請求項２に係わる液圧成形方法においては、多角形断面のうちの少なくとも１辺の板厚を素材の初期板厚に対して３％以上増加させる構成とし、請求項３に係わる液圧成形方法においては、雌型キャビティ内に保持された素材に対して相対向する位置に配した雄型を同時に移動させて成形する構成としたことを特徴としており、液圧成形方法におけるこのような構成を前述した従来の課題を解決するための手段としている。
【０００７】
本発明の請求項４に係わる液圧成形型は、請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の液圧成形に用いる成形型であって、管状の金属素材を収容するキャビティを備えた雌型と、雌型のキャビティ内に収容された前記素材に対して雌型キャビティ内を相対的に移動して多角形断面のうちの少なくとも２辺を成形する雄型を備え、該雄型が雌型キャビティの雄型との摺接面に対して１３５〜１６５°の範囲の角度をなす成形面を有する突起を備えている構成とし、請求項５に係わる液圧成形型においては、雄型の横断面における前記突起の成形面の長さＬと素材の初期板厚ｔ０との比Ｄ（Ｌ／ｔ０ ）が４〜７．５の範囲であると共に、前記成形面と雌型キャビティの雄型との摺接面のなす角度θが（１０Ｄ＋６８）°以上である構成とし、液圧成形型におけるこのような構成を前述した従来の課題を解決するための手段としたことを特徴としている。
【０００８】
本発明の請求項６に係わる自動車用多角形断面部材は、請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の液圧成形方法によって管状の金属素材から成形された多角形部材であって、多角形断面を構成する各辺のうちの少なくとも１辺の板厚が隣接する辺の板厚よりも厚く、かつ素材の初期板厚に対して３％以上増加させてある構成としたことを特徴としている。
【０００９】
本発明の請求項１に係わる多角形断面部材の液圧成形方法は、液圧成形により管状の金属素材を四角形以上の多角形断面を備えた部材に成形するに際して、多角形断面を構成する各辺のうちの少なくとも２辺を雌型キャビティ内を相対移動する雄型により成形し、しかもこの雄型により成形される部分の断面周長を雄型に接触する直前の素材長さよりも短くなるように成形するものであるから、雄型の押し込みによって、雄型に当接する素材の一部、すなわち雄型によって成形される部分の材料面内に圧縮力が作用するため、当該部分の板厚が増加し、雄型により成形される成形品の辺のうちの少なくとも１辺の板厚が管状金属素材の初期板厚よりも増加することになり、板厚増加と加工硬化とによる耐力の向上によって、多角形断面部材の機械的特性が改善されることになる。このとき、当該液圧成形方法においては、雄型の押し込みに伴って素材管の内部容積が減少するため、素材管内の液圧が初期液圧に比して上昇することから押し込み成形に起因する素材の座屈が抑制され、板厚増加の限界が向上することになる。
【００１０】
本発明に係わる液圧成形方法の一実施形態として、請求項２に係わる成形方法においては、成形される多角形断面部材の各辺のうちの少なくとも１辺の板厚を素材の初期板厚に対して３％以上増加させるようにしているので、板厚増加と加工硬化による多角形断面部材の機械的特性の向上幅が十分なものとなる。また、請求項３に係わる液圧成形方法においては、複数の雄型を相対向させて配置し、キャビティ内の素材に対して同時に移動させて成形するようにしているので、断面形状や板厚制御への対応幅がさらに広範囲なものとなる。
【００１１】
本発明の請求項４に係わる液圧成形型は、上記請求項１ないし請求項３に記載された多角形断面部材の液圧成形方法に好適なものであって、雌型と雄型を備え、多角形断面のうちの少なくとも２辺を成形する雄型が、管状素材を収容する雌型キャビティの雄型との摺接面に対して１３５〜１６５°の範囲の角度をなす成形面を有する突起を備えた構造のものであるから、当該突起の成形面に当接する部分の板厚が確実に増加し、機械的特性の優れた多角形断面部材が容易に成形されることになる。また、本発明に係わる液圧成形型の一実施形態として、請求項５に係わる液圧成形型においては、雄型の横断面における前記突起の成形面の長さＬと素材の初期板厚ｔ０との比Ｄ（Ｌ／ｔ０ ）が４〜７．５の範囲、前記成形面と雌型キャビティの雄型との摺接面のなす角度θが（１０Ｄ＋６８）°以上となるようにしてあるので、しわや座屈が生じたり、目的以外の部分の板厚を増加させたりすることなく、雄型の突起に押されて成形される部分の板厚がより確実に増加することになる。
【００１２】
さらに、本発明の請求項６に係わる自動車用多角形断面部材は、請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の液圧成形方法によって、多角形断面のうちの少なくとも１辺の板厚が隣接する辺の板厚よりも厚く、かつ素材の初期板厚に対して３％以上増加させたものであるから、板厚増加と加工硬化とによって耐力が向上し、熱処理を施すことなく、自動車部材としての強度が上昇することになる。
【００１３】
なお、本発明に係わる液圧成形方法の応用として、雄型の押し込みによる成形前に、液圧によって素材管にわずかな自由バルジを生じさせたのち、拡管が進行しない液圧に保持したうえで、雄型を雌型キャビティ内で移動させて素材管を多角形断面に成形することによって、板厚を増加させようとする辺以外の辺の板厚をわずかに減少させた多角形断面部材の成形も可能になる。
【００１４】
【発明の効果】
本発明の請求項１に係わる多角形断面部材の液圧成形方法においては、上記構成としたことにより、雄型によって成形される部分の材料面内に圧縮力が作用すると共に、雄型の押し込みによって素材管内の液圧が上昇することから、素材に座屈を生じさせることなく当該部分の板厚を増加させることができ、板厚増加とこのときの加工硬化によって耐力が向上するため、機械的特性に優れた多角形断面部材を成形することができるという極めて優れた効果がもたらされる。
【００１５】
本発明の請求項２に係わる液圧成形方法においては、成形される多角形断面部材の各辺のうちの少なくとも１辺の板厚を素材の初期板厚に対して３％以上増加させるようにしているので、板厚増加と加工硬化に基づく多角形断面部材の機械的特性の向上効果を確実かつ十分なものとすることができ、請求項３に係わる液圧成形方法においては、複数の雄型を相対向させて作動させてるようにしているので、種々の断面形状や、各辺に対するより複雑な板厚制御に対応することができるようになる。
【００１６】
本発明の請求項４に係わる液圧成形型は、キャビティを有する雌型と雄型を備え、該雄型が多角形断面のうちの少なくとも２辺を成形すると共に、雌型の雄型との摺接面に対して１３５〜１６５°の範囲の角度をなす成形面を有する突起を備えているので、本発明に係わる多角形断面部材の液圧成形方法に適用することによって、雄型に備えた突起の成形面に当接する部分の素材板厚を確実に増加させることができ、成形品の強度を向上させることができ、請求項５に係わる液圧成形型においては、前記突起の成形面の長さと素材の初期板厚との比を所定の範囲に特定すると共に、成形面と雌型キャビティの雄型との摺接面のなす角度θを前記比との関係で定めたものであるから、しわや座屈を発生させることなく所望部分の板厚をより確実に増加させることができるという効果がもたらされる。
【００１７】
そして、本発明の請求項６に係わる自動車用多角形断面部材は、請求項１ないし請求項３記載の方法により、多角形断面のうちの少なくとも１辺の板厚が隣接する辺の板厚よりも厚く、しかも素材管の初期板厚の３％以上増加させたものであるから、例えば請求項４または請求項５記載の液圧成形型を用いて成形することができ、板厚増加とこのときの加工硬化とによって耐力が向上し、特別な熱処理を施すことなく、部材強度を増すことができるという優れた効果をもたらすものである。
【００１８】
【実施例】
以下、本発明を実施例に基づいてさらに具体的に説明する。
【００１９】
実施例１
図１は、この実施例に用いた液圧成形型の形状を示す断面図であって、図に示す液圧成形型１は、主に雄型２と雌型３からなり、雌型３は、略Ｕ字状断面を有し、成形に際して素材管Ｔを収容するキャビティ３ａを備えている。
【００２０】
一方、雄型２は、図示しない液圧プレスのラムに取り付けられ、雌型キャビティ３ａ内で図中の上下方向にストロークするようになっており、雄型２の雌型キャビティ３ａに臨む面の両端部には、キャビティ３ａ側に突出する三角形断面の突起部（突起）２ａ，２ａが設けてある。なお、当該突起部２ａ，２ａの先端は、素材管Ｔの初期板厚の２分の１程度（この実施例では、約１ｍｍ）の曲率半径に丸めてある。
【００２１】
そして、雄型２の突起部２ａ，２ａの形状・寸法、すなわち突起部２ａの成形面２ｂの長さ寸法Ｌ、および雌型キャビティ３ａの雄型２との摺接面３ｂに対する前記成形面２ｂの角度θを段階的に変化させた４種類の雄型２を用いて、素材管Ｔを八角形断面の部材Ｍ1 に液圧成形し、前記突起部２ａによって成形された部分（辺）Ｍ1aの板厚変化について調査した。
【００２２】
すなわち、素材管Ｔとして、直径１０１．６ｍｍ、板厚２．０ｍｍ（ｔ０ ）の３７０ＭＰａ級鋼管を雌型キャビティ３ａ内にセットし、素材管Ｔの内部を加工液で満たしながらシールを施し、内部の液圧を２０ＭＰａに保持したのち、図外の液圧プレスを作動させて、雄型２を図中の矢印方向に移動させることによって素材管Ｔを押し込み、八角形断面部材Ｍ1 に成形した。なお、潤滑は通常の方法を用いた。
【００２３】
その結果は、表１に示すとおりで、突起部２ａによって加工された辺Ｍ1aの板厚は、θ＝１４１°，Ｄ（Ｌ／ｔ０ ）＝５．０の場合には、初期板厚（ｔ０＝２．０ｍｍ）に対して３％、θ＝１５３°，Ｄ＝５．６の場合には１５％、θ＝１５３°，Ｄ＝６．７の場合には１０％それぞれ増加しており、雄型による押し込みが進行するに従って素材管Ｔの周長が短くなり、しわが発生することなく、素材の板厚を上昇させることができることが確認された。一方、θ＝１２４°，Ｄ＝９．０の場合には、雄型による押し込みの進行に従ってしわが発生し、八角形断面部材Ｍ1 の辺Ｍ1aの板厚増加は得られなかった。
【００２４】
【表１】
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図２は、θ＝１５３°，Ｄ＝５．６の場合の雄型の押し込み量に対する素材の板厚変化を示すものであって、雄型の押し込みが進行するにしたがって、雄型２の突起部２ａによって成形される辺Ｍ1aと共に、雌型キャビティ３ａによって成型される縦壁部分Ｍ1bの板厚が上昇するが、縦壁部分Ｍ1bの板厚増加に比べて、辺Ｍ1aの板厚増加が速やかに進行しており、雄型突起部２ａにより成形される多角形断面部材の辺の板厚を他の辺よりも優先的に上昇させることが可能となることが確認された。
【００２５】
実施例２
図３は、本発明に係わる液圧成形方法の第２の実施例に用いた成形型の形状を示す断面図であって、図に示す液圧成形型１１は、相対向させて配置した１対の雄型１２，１３と雌型１４から主に構成され、雄型１２および１３は、図示しない液圧プレスのラムにそれぞれ取り付けられ、雌型キャビティ１４ａ内で図中の上下方向にストロークするようになっている。
【００２６】
また、図中上方側の雄型１２は、雌型キャビティ１４ａに臨む面の両端部に三角形断面をなす突起部１２ａ，１２ａが設けてあり、これら突起部１２ａ，１２ａの寸法形状については、成形面１２ｂの長さＬ1 を１１．２ｍｍ、雌型の摺接面１４ｂと前記成形面１２ｂのなす角度θ1 を１５３°とした。
【００２７】
他方の雄型１３にも、雌型キャビティ１４ａに臨む面の両端部に同じく三角形断面をなす突起部１３ａ，１３ａが設けてあり、これらの寸法形状については、成形面１３ｂの長さＬ2 を同じく１１．２ｍｍ、雌型摺接面１４ｂと前記成形面１３ｂのなす角度θ2 を１１７°とした。
【００２８】
そして、雌型キャビティ１４ａ内に、上記実施例と同じ素材管Ｔをセットしたのち、素材の自由バルジが大きく進行しない程度の液圧を管内にかけながら、図外の液圧プレスを作動させて、両雄型１２，１３を同時に押し込み、八角形断面部材Ｍ2 に成形し、部材Ｍ2 の板厚変化、とくに両雄型１２，１３の突起部１２ａ，１３ａによって成型された辺Ｍ2a，Ｍ2bの板厚増加について調査した。この結果を表２に示す。
【００２９】
【表２】
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これにより、雄型１２の突起部１２ａによって成形される面の板厚を他の面よりも優先的に上昇させることができ、同時に雄型１２，１３の押し込みに基づく圧縮応力によって雌型キャビティ１４ａによって成形される八角形断面部材Ｍ2 の縦壁Ｍ2cの板厚をも上昇させることができた。このような方法によって成形される八角形断面部材Ｍ2 の調質を行わない場合には、特定の辺の板厚を上昇させた多角形断面の辺は、板厚増加に伴って材料の加工硬化が生じ、板厚増加と加工硬化による耐力の向上が可能になるため、成形品の機械的強度を向上させることができる。
【００３０】
なお、成形後の部材Ｍ2 に対して、雄型１２，１３のストローク方向に対して垂直な方向に同様の成形をさらに施すことによって正方形に近い断面の部材を得ることもでき、隣接する面の板厚が互いに相違するように板厚分布させることもできる。
【００３１】
実施例３
図４は、本発明に係わる液圧成形方法の第３の実施例に用いた成形型の形状を示す断面図であって、図に示す液圧成形型２１は、実施例１に用いた成形型１と同様の構造を有し、片側のみに突起部２２ａを備えた雄型２と、キャビティ２３ａを備えた略Ｕ字状断面の雌型２３を備えている。
【００３２】
雄型の片側に備えた突起部２２ａの寸法形状については、成形面２２ｂの長さＬを１１．２ｍｍとし、雌型の摺接面２３ｂと前記成形面２２ｂのなす角度θを１５３°とした。
【００３３】
そして、雌型キャビティ２３ａ内に、上記各実施例と同じ素材管Ｔをセットした後、素材の自由バルジが大きく進行しない程度の液圧を管内に加え、図外の液圧プレスを作動させて、雄型２２をキャビティ２３ａ内で移動させ、七角形断面の部材Ｍ3 に成形し、雄型２２の突起部２２ａによって成型された辺Ｍ3aにおける板厚変化について調査した。この結果は、表３に示すとおりで、上記実施例２の場合と同様に、辺Ｍ3aの板厚を素材管Ｔの初期板厚に対して大幅に増加させることができると共に、雌型キャビティ２３ａによって成型される部材Ｍ2 の縦壁Ｍ3bの板厚をも上昇させることができた。
【００３４】
【表３】
0003642244.tif 000004
実施例４
図５は、本発明の第４の実施例に用いた成形型の形状を示す断面図であって、図に示す液圧成形型３１は、実施例２に用いた成形型１１とほぼ同様の構造を有し、片側のみに突起部３２ａおよび３３ａをそれぞれ備えた雄型３２および３３と、キャビティ３４ａを備えた雌型３４を備えている。
【００３５】
図中上方側の雄型３２に備えた突起部３２ａについては、成形面３２ｂの長さＬ1 を１１．２ｍｍ、雌型の摺接面３４ｂと当該成形面３２ｂのなす角度θ1 を１５３°とする一方、下方側の雄型３３の突起部３３ａの寸法形状については、成形面３３ｂの長さＬ2 を同じく１１．２ｍｍ、摺接面３４ｂと成形面３３ｂのなす角度θ2 を１１７°とした。
【００３６】
そして、雌型キャビティ３４ａ内に、上記各実施例と同じ素材管Ｔをセットしたのち、素材の自由バルジが大きく進行しない程度の液圧を管内に作用させながら、図外の液圧プレスを作動させて、両雄型３２，３３を同時に移動させることにより、六角形断面部材Ｍ4 に成形した。この結果は、表４に示すとおりで、六角形断面のうち、雄型３２の突起部３２ａにより成形された辺Ｍ4aの板厚を優先的に増加すると共に、雌型キャビティ３４ａにより成形される縦壁Ｍ4bの板厚も素材管Ｔの初期板厚に比べて上昇させることができた。
【００３７】
【表４】
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【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例に用いた液圧成形型の構造を示す断面図である。
【図２】図１に示した成形型によって素材管を液圧成形した場合の雄型押し込み量に対する素材の板厚変化を示すグラフである。
【図３】本発明の第２の実施例に用いた液圧成形型の構造を示す断面図である。
【図４】本発明の第３の実施例に用いた液圧成形型の構造を示す断面図である。
【図５】本発明の第４の実施例に用いた液圧成形型の構造を示す断面図である。
【符号の説明】
１，１１，２１，３１  液圧成形型
２，１２，１３，２２，３２，３３  雄型
２ａ，１２ａ，１３ａ，２２ａ，３２ａ，３３ａ  突起部（突起）
２ｂ，１２ｂ，１３ｂ，２２ｂ，３２ｂ，３３ｂ  成形面
３，１４，２３，３４  雌型
３ａ，１４ａ，２３ａ，３４ａ  キャビティ
３ｂ，１４ｂ，２３ｂ，３４ｂ  摺接面
Ｔ  素材管（管状の金属素材）
Ｍ1 ，Ｍ2 ，Ｍ3 ，Ｍ4   多角形断面部材
【図１】
0003642244.tif 000006
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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