(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
一対の金型の一方または双方の内面にダイス孔を設け、ダイス孔内に進退可能なポンチをその先端面が金型内面と同一面を形成するように挿入固定し、金型内に収納した金属素管に、その内部に導入した加工液の液圧と金属素管の軸方向圧縮力とを組み合わせて膨出部を成形し、次いでポンチを後退させてダイス孔に位置している膨出部を、その内部の液圧によりダイス孔形状にピアシング加工し、その後ポンチを前進させてピアシング加工で生じた金属片を押し戻してピアシングにより成形した穴にはめ込み、成形品を液圧バルジ加工装置から取り出した後、穴にはめ込んだ金属片を取り除くことを特徴とする金属管の液圧バルジ加工時のピアシング加工方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、金属管内に導入した加工液の圧力と金属管の軸方向圧縮力とを組み合わせて金属管に膨出部を成形し、その膨出部にピアシング（孔あけ）加工する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
液圧バルジ加工方法は、素材となる金属管（以下金属素管と記す）内に加工液を注入し、その加工液に負荷した圧力（以下内圧と記す）と金属管端からの軸押し力を組み合わせることにより、種々の断面形状の管状製品を得る加工方法で、自動車部品の成形等に利用されている。
【０００３】
製品によっては、膨出加工部に小さな穴を設けなければならない場合がある。鋼板等に穴を設ける場合、一般にはダイスとポンチが使用される。しかし、液圧バルジ加工後の形状は通常管状であり、管端近く以外では管内部にダイスを位置させることが困難なため、ポンチとダイスによる穴あけ加工をおこなうことはできない。そこで、バルジ加工時のピアシング加工は、以下に説明するようなバルジ加工中の内圧を利用した方法が採用されている。
【０００４】
図１は、ピアシング加工ができる液圧バルジ加工装置の１例を示す図である。この装置は、ベッド１とクラウン２は４本のコラム３で連結され、クラウン２に固定された油圧シリンダ４のピストン５によってスライド６が上下する。スライドには上金型７が、ベッド上には下金型８がそれぞれ対面させて設置されている。また、ベッド上には下金型の両端に対面させた軸押し装置９が設置されている。軸押し装置のシール工具１０は軸押し装置に内蔵されている油圧シリンダーにより前後進可能となっている。
【０００５】
上下の金型を合わせた場合のダイス内面１１ａ、１１ｂの形状は、製品の外形と同じ形状になっている。
【０００６】
図２は、図１の上金型部の拡大図である。金型の内面１１ｂにはダイス１４が設けられており、ダイス孔に油圧シリンダー１３により前後進可能なポンチ１２が挿入されている。
【０００７】
先ず、下金型８の内面１１ａに金属素管を、その管端がシール工具１０に対面するように載置し、上金型７を降下させて下金型に合わせて押圧する。次いで、シール工具１０を前進させて管端に押しつけ、シール工具内に設けられている加工液導入孔２０から金属素管内に加工液を注入して加圧すると同時に、シール工具を前進させて管軸方向に圧縮力を負荷することにより、金属素管を製品形状である金型内面の形状に膨出加工する。次いで、膨出部の一部に穴をあけるピアシング加工がおこなわれる。
【０００８】
図３、図４および図５は、従来の三つのピアシング加工方法を説明するための図で、各図の（ａ）は液圧バルジ加工が終了した状態を示す図、各図の（ｂ）はピアシング加工が完了した状態を示す図である。
【０００９】
これら各図の（ａ）に示すように、下金型８と上金型７間で上述の液圧バルジ加工方法により金属素管に膨出部１８が成形されている。これらのポンチの位置は、液圧バルジ加工を開始する前と同じで、ポンチの先端面は金型の内面と同じ面を形成するように位置している。
【００１０】
図３に示す方法では、液圧バルジ加工による膨出部の成形が完了すると、図３（ｂ）に示すように高内圧状態のもとで、金型内のポンチ１２をダイス孔１７から押しだしてピアシング加工をおこない、膨出部に穴をあける。したがって、この方法ではピアシング加工で生じた金属片１６は成形品内に残る。
【００１１】
図４に示す方法では、ポンチ先端は水平でなく僅かに傾斜しているため、ポンチ１２をダイス孔から押し出してピアシング加工しても、図４（ｂ）に示すようにピアシングにより生じる金属片１６は、一部で膨出部と繋がった状態になる。
【００１２】
図５に示す方法は、液圧バルジ加工後にポンチを後退させることにより、内圧によりダイス孔に接している膨出部をピアシング加工する方法であり、ピアシング加工により生じた金属片１６は金型内に残る。
【００１３】
しかしながら、図３で説明した方法は、ピアシング加工後の金属片は成形品内に残るため、成形品の形状が複雑な場合や管端径が金属片より小さい場合、製品外に取り出すのが困難である。また、この方法では金属片が製品から完全に脱離しないで付着したままとなることがあり、最終製品内に残った金属片が何らかの衝撃で脱離し製品が動いたときに内部で異音が生じるといった問題が発生する場合がある。
【００１４】
この問題を回避するための方法が図４に示した方法である。しかし、この方法では金属片１６を管内に折り曲げて固定するため、ピアシングにより成形する穴が真円にならず、また金属片の一部が付着している穴周辺部では、だれが大きくなる問題がある。
【００１５】
図５に示した方法は、製品内に金属片が残ることはないが、強烈な内圧にて金属片が金型内に押し出されるため、ダイス内のポンチに金属片が凝着してそれを除去する必要が生じる。また、金属片が、飛散して金型内に残存するので、次の成型時に成形不良が生じる場合がある。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、上記従来の問題を解消し、ピアシング加工により生じる金属片が製品内に残らず、また金型内にも残すことなくピアシング加工する方法を提供することにある。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
本発明の要旨は以下の通りである。
【００１８】
「一対の金型の一方または双方の内面にダイス孔を設け、ダイス孔内に進退可能なポンチをその先端面が金型内面と同一面を形成するように挿入固定し、金型内に収納した金属素管に、その内部に導入した加工液の液圧と金属素管の軸方向圧縮力とを組み合わせて膨出部を成形し、次いでポンチを後退させてダイス孔に位置している膨出部を、その内部の液圧によりダイス孔形状にピアシング加工し、その後ポンチを前進させてピアシング加工で生じた金属片を押し戻してピアシングにより成形した穴にはめ込み、成形品を液圧バルジ加工装置から取り出した後、穴にはめ込んだ金属片を取り除く金属管の液圧バルジ加工時のピアシング加工方法」
本発明者らは、上記課題を解消すべく種々実験、検討した結果、液圧バルジ加工時の内圧を利用して金型内面に設けたダイスにてピアシング加工し、それにより生じた金属片はピアシング加工で成形した穴よりも若干大きくなることを知り、この金属片をポンチで押し戻してピアシング加工により成形した穴にはめ直し、その状態で製品を液圧バルジ加工装置から取り出してから金属片を除去すればよいとの知見を得たのである。
【００１９】
【発明の実施の形態】
本発明の方法は、図１に示すような液圧バルジ加工装置により実施できる。
【００２０】
図６は、本発明の液圧バルジ加工時のピアシング方法を説明するための金型部または成形品の断面図で、図６（ａ）は液圧バルジ加工が完了した状態、図６（ｂ）はピアシング加工後の状態、図６（ｃ）は金属片をピアシング加工により成形した穴にはめん込んだ状態をそれぞれ示し、図６（ｄ）は金型から取り出した成形品の状態、図６（ｅ）は金属片を除去した成形品を示す。
【００２１】
図６では、ダイス１４を上金型に設けているが、金型自体が硬質であるため特にダイスを新たに設けなくとも、金型にダイス孔を直接設けることによりダイスの機能を発揮させることができる。しかし、摩耗によりダイス孔が変形した場合は金型を取り替えなければならないので、簡単に取り替えができるダイスを金型に設けるのが好ましい。なお、図６ではダイスを一個設けた場合を示すが、製品が必要とする穴の数だけ設ければよい。また、当然のことながら下金型にダイスを設けてもよい。
【００２２】
図６（ａ）は、下金型８と上金型７間で金属素管が、内圧と軸方向の圧縮力との組み合わせによる液圧バルジ加工により膨出部１８が成形された状態を示し、液圧バルジ加工方法は、前述した従来の方法と同じである。
【００２３】
液圧バルジ加工する際、ポンチ１２はその先端がダイスの内面と同じ面を形成する位置に固定しておこなう。すなわち、図６（ａ）に示すポンチの位置と同じ状態としておく。それは、金属管を膨出加工する際にダイス内に空隙があると、金属管が金型形状通りに膨張変形する前に、ダイス部で金属管に穴があき、金属管の膨張と共に穴形状も変形し目的の形状にならないためである。金属管が金型形状に膨出加工されるまでダイス穴に栓をする意味でポンチを存在させるのである。
【００２４】
ポンチはポンチ後方のシリンダ等によって保持されている。シリンダの荷重Ｆは、液圧バルジ加工中にポンチが押し戻されないように下記の条件を満たすようにすればよい。
【００２５】
Ｆ＞Ａ・Ｐmax
ここで、Ｐmax：バルジ成形での最大内圧
Ａ   ：ポンチの断面積（穴の面積）
液圧バルジ加工により膨出部の成形が終了すると、内圧とダイスによりピアシング加工をおこなう。ピアシング加工は、図６（b)に示すようにダイス１４内のポンチ１２を上金型７の外方向に後退させてダイス内に空間を生じさせて内圧により金属管にピアシング加工を施し、膨出部１８に穴をあける加工である。
【００２６】
金属管内の内圧を利用してピアシング加工をおこなうためには、ピアシング時の内圧ｐは金属管を膨張させるに必要な圧力であると共に、金属管にせん断加工を施すための下記の条件を満たすようにすればよい。
【００２７】
ｐ＞  ｓｔｋ／Ａ  ＝４ｔｋ／Ｄ（丸ポンチの場合）
ここで、 ｓ：穴周長               Ａ：穴面積
ｔ：ピアシング部の肉厚   ｋ：せん断抵抗
Ｄ：ポンチ径
上記条件を満たした内圧にしておき、ダイス内のポンチを後退させることで、膨出部はダイス形状にピアシングされる。ポンチ後退時にダイスと接触している膨出部はダイス内で膨らんだ後、ダイスエッジでせん断されるため、ポンチの後退ストロークは肉厚の２倍以上にすればよい。なお、ダイス孔の形状は製品に必要とされる形状にしておけばよい。
【００２８】
ピアシング加工が終了すると、図６（ｃ）に示すように、ポンチ１２を前進させて液圧バルジ加工前の位置に戻すことによりピアシングにより生じた金属片１６を押し戻して穴にはめ込む。金属片は、ピアシング時に湾曲した状態で押し抜かれ、押し抜かれた後はスプリングバックにより元の状態に戻るためピアシングにより形成した穴より若干大きくなるため、金属片は穴から簡単に外れることはない。また、金属片がポンチの先端に凝着したとしても、金属片は穴に強固にはめ込まれるため、ポンチを後退させることによりポンチは金属片から容易に離脱する。
【００２９】
次いで、この金属片を付けた液圧バルジ成形品を金型外に搬送する。図６（ｄ）は金型から取り出した成形品の縦断面図である。金属片を液圧バルジ成形品から取り外して、図６（ｅ）に示す製品が得られる。このようにすることにより、金属管内に金属片が残ることも、金型内に金属片が残存することもない。液圧バルジ成形品から金属片を取り出すのは、バキュームにより金属片を吸着除去するか電磁石等で除去すればよい。
【００３０】
ピアシング加工に用いるポンチは、ダイス内で油圧により前後進させるには、シリンダ及びシリンダ作動用の配管を金型内に配置する必要がある。しかし、通常は液圧バルジ加工用プレス装置の金型のスペースは限定されており、油圧装置の設置が困難な場合がある。そのような場合には、シリンダー内に油の代わりにコイルバネやガスのようなクッションに予荷重を付加して挿入して置けばよい。
【００３１】
金属素管の液圧バルジ加工時に途中でポンチが後退移動しないために必要なクッションの初期荷重Ｆ０は、下記式で表せる。
【００３２】
F0  ≧  PE・A
ここで、ＰＥ：金属管が金型形状に膨張するに必要な内圧
Ａ：ポンチの断面積
金属素管が金型形状に膨張変形した後、さらに内圧を△Ｐ増加させると、ポンチは後方にδだけ後退する。このとき、必要な内圧の増加量△Ｐは下記式で表せる。
【００３３】
△Ｐ≧（Ｆ0-PE・A）/A + K・δ/A + ｋ・s・t/A
ここで、  K：弾性体のバネ定数
この式で、右辺第一項は初期荷重の過剰分、第二項は弾性体を押し戻すのに必要な荷重、第三項は金属管をせん断するに必要な荷重を意味する。また、ポンチの移動量δは金属管がピアシングされるためには、肉厚の２倍以上が必要となる。
【００３４】
金属素管の膨出成形およびピアシング加工の終了後、内圧を下げると内圧によって後退していたポンチが初期位置まで移動する。そのとき、金属片はピアシングにより成形した穴に押し戻されることとなる。このように油圧の代わりにクッションを用いることにより装置がコンパクト化される。
【００３５】
【実施例】
金属素管として、外径：６０．５ｍｍ、肉厚：２ｍｍ、長さ：８００ｍｍの機械構造用炭素鋼管ＳＴＫＭ１１A (JISG3445)を用いた。この鋼管の降伏強さは３３ｋｇ／ｍｍ2、引張強さは４０ｋｇ／ｍｍ2であった。この素管を、図１および図２に示した液圧バルジ加工装置により図７に示す形状の異形管を成形した後、ピアシングをおこなった。成形後の異形管の寸法は下記の通りであった。
【００３６】
高さ  Ｈ（ｍｍ）         46 mm
幅    Ｗ（ｍｍ）         75 mm
長さ  Ｌ（ｍｍ）        760 mm
端部外径 Ｄ（ｍｍ）    60.5 mm
図８は、液圧バルジ成形時の内圧−軸押し量のパターンを示す図である。図８中のＡの時点でピアシング加工をおこなった。使用したポンチの外径は１８ｍｍで、ポンチの後退量は６ｍｍとした。また、ポンチを支える油圧シリンダの初期荷重は３トンとし、ピアシング加工後、金属片を穴に押し戻す際も荷重３tonとした。ピアシング加工した後、金型から成形品を取り出して電磁石で金属片を除去した。
【００３７】
従来例として、上記と同じ条件で液圧バルジ加工をおこなった後、図３に示したピアシング加工をおこなった。ピアシング条件も上記と同じとした。
【００３８】
液圧バルジ加工−ピアシング加工を各１００回おこない、金属片の状態を調べた。
【００３９】
本発明例では、金属片は全て成形品外に除去できたが、従来例ではピアシングにより生じた金属片の５％がピアシングにより成形した穴に一部付着した状態となり、それ以外は全て成型品内に残った。
【００４０】
【発明の効果】
本発明の方法によれば、、ピアシング時の金属片が成形品内に残存したり、金型内に飛散、残存することなく、金属片を容易に除去でき、生産効率が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】金属管の液圧バルジ加工およびピアシング加工装置を示す図である。
【図２】図１の金型部の拡大断面図である。
【図３】従来のピアシング方法を説明するための図である。
【図４】従来のピアシング方法を説明するための図である。
【図５】従来のピアシング方法を説明するための図である。
【図６】本発明におけるピアシング方法を説明するための図である。
【図７】実施例で成形した製品の縦断面図である。
【図８】バルジ加工時の内圧、軸押し量のパターンの説明図である。
【符号の簡単な説明】
１  ベッド                      10  シール工具
２  クラウン                    11ａ、11ｂ  ダイス内面
３  コラム                      12  ポンチ
４  油圧シリンダー              13  油圧シリンダー
５  ピストン                    17  ダイス孔
７  上金型                      20  加工液導入孔
８  下金型
９  軸押し装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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