(57)【要約】【課題】  直管部の長いハイドロフォーム部品の成形を可能にしたハイドロフォーム加工方法及び当該加工に使用される軸押しパンチを提供する。【解決手段】  円周方向に複数個に分割設置された分割チップ９を，ハイドロフォーム成形中の内圧作用によって金属管２の内面に押し当てて，分割チップ９を介して軸押しパンチが金属管２を管軸方向に押し込みながら金属管２をハイドロフォーム成形することにより直管部の長いハイドロフォーム部品を加工することができる。【選択図】  図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
円周方向に複数個に分割設置された分割チップを，ハイドロフォーム成形中の内圧作用によって金属管内面に押し当てて，分割チップを介して軸押しパンチが金属管を管軸方向に押し込みながら金属管をハイドロフォーム成形することを特徴とする，ハイドロフォーム加工方法。
【請求項２】
円周方向に複数個に分割された分割チップと，軸方向に対してテーパを有するテーパ部品と，前記分割チップの前面にパンチ先端部品を有するハイドロフォーム加工用軸押しパンチであって，前記パンチ先端部品は内圧によって軸方向に移動自在で，かつ前記分割チップは，内圧によって軸方向に移動する前記パンチ先端部品で押されて前記テーパ部品のテーパ面上を滑ることにより，半径方向の外周側に移動して金属管の内面を押し込み自在であることを特徴とする，ハイドロフォーム加工用軸押しパンチ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は，自動車用の排気系部品，サスペンション系部品，ボ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加工方法及び当該加工に使用される軸押しパンチに関する。
【背景技術】
【０００２】
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，ハイドロ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。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上述のようにハイドロフォームの市場規模は年々拡大されてきたが，それに伴いハイドロフォーム成形の難しい部品形状も増加してきている。例えば，図１のような形状の部品では，中央部分の拡管率（＝(成形後の周長−素管の周長)／素管の周長×100％）が大きく，しかも，その拡管したい箇所が管端から遠く離れているためハイドロフォーム加工が難しい。なぜなら，ハイドロフォーム加工では，内圧だけでなく，管端からの軸押しによる軸方向圧縮力（以降，軸押しと称す）の作用によっても拡管されるため，管端から遠い箇所では軸押しの効果が少なくなるからである。
【０００４】
ハイドロフォーム加工では，内圧を負荷しながら軸押しするため，その内圧の作用により，管端から金型空洞部までの直管部（以後，単に直管部と称す）では管外面と金型内面との摩擦力が内圧負荷前よりも大きくなる（図２(a)）。しかし，その一方，内圧が低い状態で軸押しすると直管部で座屈が発生しやすい（図２(b)）。
【０００５】
一般にハイドロフォーム用の軸押しパンチ先端は，管端部の座屈を防ぐために若干の長さだけ管内面に接触するような形状となっている（図３(a)）。よって，上記のような長い直管部を有する部品における問題を解決するために，図３(b)のような管内面との接触する箇所を長くことも考えられる。しかし，工業生産される管材（鋼管やアルミ押出し管等）の内面は必ずしも完全な円形ではなく，若干の扁平や偏肉が存在する。
【０００６】
したがって，図３(b)のような軸押しパンチを挿入しようとすると，パンチ挿入時にうまく入らず，管材を座屈させる可能性がある。座屈まで至らなくても，摩擦力によって若干押し込んでしまうこともあるが，その場合は，内圧が負荷される前に軸押しが始まることになる。すると，本来のハイドロフォーム加工と異なる条件になるため安定した加工が実現できなくなる。
【０００７】
一方，自動車用鋼管のような小径管では用いられていないが，ＵＯ鋼管の製造工程では図４（鉄鋼便覧III(2) 丸善より抜粋）のような装置を用いて管内部からメカニカルに拡管することが行われている。本装置は，管軸方向にテーパ面を有するコーン上を，円周方向に分割されたセグメント（図中のジョー，シム，ダイの総称）がスライドすることにより，管の内面側からメカニカルに拡管する設備である。ただし，本装置のコーンは後方から油圧シリンダによって前進・後退させている。しかし，そのような大規模な構造は，鋼管径が最低でも450mmはある大径のＵＯ鋼管だから可能であり，自動車用鋼管のような小径管で同様の構造を構成することは難しい。
【０００８】
本発明は，上述の大径のＵＯ鋼管に用いられるメカニカルな拡管装置を小径管用に改良し，直管部長さの長い部品をハイドロフォーム加工する場合に，管材の中にパンチを挿入する際にはスムーズに挿入可能であるが，ハイドロフォーム加工中には管端から遠く離れた位置を保持しながら軸押しすることが可能なハイドロフォーム加工方法及びその加工が可能な軸押しパンチを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
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。
円周方向に複数個に分割設置された分割チップを，ハイドロフォーム成形中の内圧作用によって金属管内面に押し当てて，分割チップを介して軸押しパンチが金属管を管軸方向に押し込みながら金属管をハイドロフォーム成形することを特徴とする，ハイドロフォーム加工方法である。
また，円周方向に複数個に分割された分割チップと，軸方向に対してテーパを有するテーパ部品と，前記分割チップの前面にパンチ先端部品を有するハイドロフォーム加工用軸押しパンチであって，前記パンチ先端部品は内圧によって軸方向に移動自在で，かつ前記分割チップは，内圧によって軸方向に移動する前記パンチ先端部品で押されて前記テーパ部品のテーパ面上を滑ることにより，半径方向の外周側に移動して金属管の内面を押し込み自在であることを特徴とする，ハイドロフォーム加工用軸押しパンチである。
【発明の効果】
【００１０】
本発明により，従来は成形が困難であった直管部の長いハイドロフォーム部品の成形が可能になる。それにより，ハイドロフォーム技術の適用部品が更に拡大され，その結果，自動車の軽量化が進み，地球温暖化防止にも貢献できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
図５及び図６を用いて本発明の詳細を説明する。なお，図５の中心線より上は内圧負荷前の状態を示し，中心線より下は内圧負荷後の状態を示している。
【００１２】
まず，本発明の軸押しパンチに使用される固定ボルトの構造を説明する。固定ボルトの頭部１６には六角穴を設けたいわゆる六角穴付きボルトを基本とした形状が好ましい。そして頭部１６に近い箇所は太径部１７となっており，途中から細径部１８となっている。そして更に後端にはネジ部１９が施されている。また，本例は，注水側のパンチであるため，当該ボルトには，ネジ部１９から頭部１６の間に渡って注水用の穴３０が貫通されている。
【００１３】
上記固定ボルトによってパンチ先端部品８，テーパ部品１０，メタルシール部品１１，フランジ１２が順に結合される。パンチ先端部品８，テーパ部品１０およびメタルシール部品１１の前端側のほぼ半部は，金属管２の内部に円滑に挿入できる外径を有している。メタルシール部品１１の後端側のほぼ半部とフランジ１２は，金属管２の内径よりも大きい外径を有している。このうち，パンチ先端部品８とテーパ部品１０とメタルシール部品１１には貫通穴が空いており，フランジ１２には，固定ボルト先端のネジ部１９をネジ止めさせるタップ加工が施されている。またフランジ１２には，そのようにフランジ１２にネジ止めされた固定ボルトの穴３０に連通する注水穴が設けられている。
【００１４】
ただし，テーパ部品１０とメタルシール部品１１に形成された貫通穴の穴径は固定ボルトの細径部１８の外径より大きく，かつ，太径部１７の外径よりも小さく設計し，パンチ先端部８に形成された貫通穴の穴径は固定ボルトの太径部１７の外径より大きく，頭部１６の外径より小さく設計する。さらに，固定ボルトの太径部１７の長さはパンチ先端部品８の貫通穴の深さより長く設計する。また，固定ボルトの細径部１８の長さはテーパ部品１０とメタルシール部品１１の貫通穴の合計の長さより短く設計する。以上の結果，パンチ先端部品８とテーパ部品１０とメタルシール部品１１に形成された貫通穴に固定ボルトを通して，先端のネジ部１９をフランジ１２にネジ止するように固定ボルトを締め付けると，テーパ部品１０とメタルシール部品１１は固定ボルト太径部１７と細径部１８との段差によってフランジ１２にしっかりと固定される。一方，パンチ先端部品８は固定ボルト太径部１7の長さとパンチ先端部品８の穴深さとの差の分，軸方向に可動できる状態となる。すなわち，パンチ先端部品８の摺動部２１がテーパ部品１０の前面側に設けられた穴の内部を軸方向に可動できる構造となる。
【００１５】
次に，テーパ部品１０と分割チップ９の構造に関して説明する。
【００１６】
テーパ部品１０は図６(a)に示されるように，円筒部２３より先端側にテーパ面２２を設けてある。テーパ面２２は，管軸方向の先端側に向って次第に細くなるように形成される。テーパ面２２は管軸方向から見ると（同図中の左図），多角形断面となっており，本例では六角形となっている。このテーパ面２２上を分割チップ９が管軸方向に摺動する。
【００１７】
分割チップ９の構造を図６(b)に示す。本例では，六角形のテーパ面２２に対応して，分割チップ９は円周方向に６分割された形状となる。分割チップ９のスライド面２５の管軸方向に対する角度は，テーパ部品１０のテーパ面２２の管軸方向に対する角度と等しくなっている。管内面と接触する周面２６は，初期状態（図５の中心線より上の状態）の位置で真円となるような曲率半径に設計する。
【００１８】
各分割チップ９の厚さは，各分割チップ９がテーパ部品１０のテーパ面２２において，管軸方向の前端側に移動した場合には，各分割チップ９の周面２６が金属管２の内面に接触しないが，各分割チップ９がテーパ部品１０のテーパ面２２において管軸方向の後端側に移動すると，その途中で各分割チップ９の周面２６が金属管２の内面に接触する大きさに設定されている。なお後述するように，各分割チップ９はパンチ先端部品８の外周面後端に形成されたリング状面に常時接触し，各分割チップ９同士は常に一緒に管軸方向へ移動するようになっている。
【００１９】
分割チップ９はテーパ部品１０のテーパ面２２を半径方向の外周側（大径側）に（即ち，管軸方向の後端側に）スライドするに従い，お互いの分割チップ９の隙間が広がる（図５の左図の中心線より下の図を参照）。そのため各分割チップ９の位置は円周方向に不安定になる可能性があるので，その円周方向位置を固定することが望ましい。そこで本例では，テーパ部品１０のテーパ面２２に管軸方向に連続する突起部２４を設け，一方の分割チップ９のスライド面２５には突起部２４に係合するスライド用凹部２７を設けた。これにより，分割チップ９は，テーパ面２２をスライドしても周方向には移動せず，分割チップ９の互いの隙間は均等に保ちながら大径側に移動することができる。
【００２０】
また，分割チップ９がテーパ部品１０から外れることがないように工夫する必要がある。本例では，分割チップ９の周面２６に円周方向の凹部２８を設け，当該箇所にゴムバンド２９を円周状に巻き付けることによって固定している。このゴムバンド２９の締付け力により，各分割チップ９はテーパ面２２を先端側（細くなる方向）に向って移動するように付勢されている。
【００２１】
次にパンチ先端部品８の構造を説明する。
【００２２】
パンチ先端部品８の後端側には，パンチ先端部品８の外径よりも充分に小さい外径を有する摺動部２１が設けられており，前述のように，摺動部２１はテーパ部品１０の前面側に設けられた穴の内部を摺動する。一方，パンチ先端部品８の外周面にはＯリング１３を取り付ける円周溝が施されており，しかもその円周溝の後端側は管軸方向の後端側に向って徐々に大径となるようなテーパ形状となっている。またパンチ先端部品８の外周面後端と摺動部２１前端との間は，管中心軸を中心とするリング状面に形成されている。このリング状面には，各分割チップ９が当接している。前述のように，ゴムバンド２９の締付け力によって各分割チップ９はテーパ面２２を先端側（細くなる方向）に向って移動するように付勢されているので，その付勢力によってパンチ先端部品８も管軸方向の前端側に移動し，パンチ先端部品８は固定ボルトの頭部１６に当接する位置に保持されている。また後述するように，パンチ先端部品８が管軸方向の後端側に移動すると，リング状面で分割チップ９が管軸後方に押されて，各分割チップ９がテーパ部品１０のテーパ面２２において管軸方向の後端側に移動するようになっている。
【００２３】
最後にメタルシール部品１１には金属管２の端部が当たるメタルシール部２０が設置されている。なお，メタルシール部品１１は，このメタルシール部２０よりも前端側が金属管２の内部に円滑に挿入できる外径を有し，メタルシール部２０よりも後端側が金属管２の内径よりも大きい外径を有している。
【００２４】
以上が，本発明の軸押しパンチを構成する各部品の構造である。次に，ハイドロフォーム加工中の各部品の動作及び機能に関して説明する。
【００２５】
最初に，軸押しパンチを金属管２の内部に挿入する。この場合，上述のようにパンチ先端部品８，パンチ先端用Ｏリング１３，テーパ部品１０，及びメタルシール部品１１のメタルシール部２０よりも先端側の部分が何れも金属管２の内径より小さく設計されており，またこの時点では，図５の中心線より上に示した図のように，各分割チップ９は固定用ゴムバンド２９の締め付け力により，テーパ面２２の先端側（細くなる方向）に移動しており，各分割チップ９の周面２６が管内面に接触しない状態になっている。
【００２６】
以上の結果，軸押しパンチを金属管２の内部に挿入する際には，スムーズに挿入することが可能となり，最終的にメタルシール部２０に金属管２の端部が接触する位置まで軸押しパンチを金属管２内に円滑に挿入できる。
【００２７】
次に，フランジ１２に設けられた注水穴と固定ボルトの穴３０を介して水６を金属管２の内部に供給する。水６が金属管２の内部に充満されると，余分な水６は軸押しパンチと金属管２の内面との隙間から漏れようとする。すると，その水流によってパンチ先端用部品８の外周面に取付けられたＯリング１３は管後端側に押し込まれ，その結果，パンチ先端部品８の外周面に施された円周溝のテーパ部分をスライドし，図５の中心線から下に示した図のように金属管２の内面に密着する。それによって，金属管２の内部の水６の漏れが停止し，シールされた状態となる。
【００２８】
シールされた後にも金属管２内に水６が供給されると水６の圧力が上昇する。その内圧の作用によりパンチ先端部品８は管軸方向の後端側に移動する。これにより，パンチ先端部品８のリング状面に接触している分割チップ９も管端方向に押されて移動し，テーパ部品１０のテーパ面２２を管軸方向の後端側にスライドしていく。その結果，分割チップ９の周面２６が金属管２の内面に接触し，金属管２の肉厚に食い込んでいく。
【００２９】
上記の状態のまま，軸押しパンチを押し込んでいくと，軸押しパンチに加えられた軸方向圧縮力が分割チップ９を介して金属管２に伝達され，金属管２を押し込むことになる。よって，直管部の長いハイドロフォーム部品形状の場合でも，金属管２の端部から押さずに分割チップ９が金属管２内面に接触している位置，即ち直管部の途中から軸押しを負荷することが可能になる。メタルシール部２０でも押し込んではいるが，分割チップ９の位置が固定されていれば，原則として，メタルシール部２０では管端と接触しているに過ぎず，押し力は負荷されない。また，水６はパンチ先端用Ｏリング１３の位置でシールされているため，その位置より管端側では金属管２に内圧が負荷されない為，図２(a)で示されるような内圧に起因した摩擦力は発生しない。したがって，その摩擦力に起因したメタルシール部２０への押し込み力も負荷されない。
【００３０】
以上が，図５及び図６の例を用いた本発明の説明である。次に，その応用例に関して述べる。
【００３１】
軸押しパンチ全体の構成としては，図５の例では，テーパ部品１０とメタルシール部品１１とフランジ１２をそれぞれ別部品としたが，これらを一体あるいは二体に集約しても良い。その場合，メタルシール部品用Ｏリング１４やフランジ用Ｏリング１５は不要となる。図５の例で，あえて分割している理由としては，第一に，一体にすると当該部品がかなり長尺となり，貫通穴を空ける加工が難しくなるという点，第二に，ハイドロフォーム部品の直管部の長さに応じてメタルシール部品１１のみを変更すれば，複数種類のハイドロフォーム部品に対応可能な点，第三に，各部品の形状や必要とされる機能によって材質を変更することが可能な点（例えば，テーパ部品１０は工具鋼，メタルシール部品１１は普通鋼，フランジ１２は鋳鉄 等の組合せ），などが挙げられる。
【００３２】
次に，分割チップ９とテーパ部品１０との固定方法について他の応用例を示す。
【００３３】
図６の例では分割チップ９に凹部，テーパ部品１０に凸部を設けた図７(a)のような構造であったが，それとは逆に分割チップ９に凸部，テーパ部品１０に凹部を設けた同図(b)のような構造でも良い。また，当該凸部や凹部に同図(c)や(d)のような角度を設けると，分割チップ９に固定用ゴムバンド２９を巻き付けなくてもテーパ部品１０から外れることはない。同図(e)や(f)のようにティー溝を設けた構造にしても同様の効果がある。
【００３４】
ただし，同図(c)〜(f)の構造で固定用ゴムバンド２９を省略した場合，内圧が負荷されていない図５の中心線より上に示した図の初期状態の時に，分割チップ９がテーパ面２２の小径側に位置するとは限らない。よって，その場合には図８のように分割チップ９の後面にスプリング３１等の部品を付加する等の工夫が必要となる。また，図５の例では分割チップ９の個数は６個としたが，複数個であれば何個でも構わない。一般的には，金属管２の内径が小さいほど個数を少なくし，内径が大きくなるに連れて個数を増やす方が望ましい。
【００３５】
次に，パンチ先端部品８のＯリング１３を取り付ける溝に関しての応用例を述べる。図５の例ではテーパ面を設けたが，これは，Ｏリングの外径寸法が金属管２の内径寸法にちょうど合う規格があるとは限らないためである。したがって，ちょうど合う組合せのＯリングが存在する場合には，図９にようなテーパのない通常のＯリング用溝でも構わない。
【００３６】
次に，メタルシール部２０の応用例を述べる。
【００３７】
本発明の軸押しパンチでは，原則，パンチ先端用Ｏリング１３でシールするため，メタルシール部２０は補助的な役割でしかない。したがって，図１０(a)のようにメタルシール部はなくても良いし，また，あったとしても同図(b)のように管端に接触していなくても構わない。
【００３８】
ただし，一般にＯリングシールはメタルシールに比べて高圧でのシール性は劣る。よって，高圧まで負荷する必要のあるハイドロフォーム部品の場合は，メタルシールも補助的に使用することが好ましい。その際には，同図(c)のような段付きメタルシール部３２や(d)のようなテーパメタルシール部３３を設けるとより効果的である。
【実施例】
【００３９】
図１１〜１３に本発明の実施例を示す。
【００４０】
金属管２には外径63.5mm，肉厚2.3mm，全長360mm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。図１１に示すようなハイドロフォーム上下金型３，４を用いて，金属管２をＴ字型に成形する試験を行った。その際，紙面に向かって左側からは通常の軸押しパンチ（図３(a)のような構造のパンチ）を使用し，直線部の長い右側に本発明品の軸押しパンチを使用した。本発明の軸押しパンチの詳細寸法を図１２に示す。本発明例では，軸押しパンチの先端から約130mmが金属管２の内部に挿入され，軸押しパンチ先端から約30mmに位置する分割チップで金属管２を押し込む。すなわち，管端から約100mmの位置から軸押しが実現できる。
【００４１】
本実施例によるハイドロフォーム成形では，内圧を30MPaで一定に保持した状態で左右の軸押しパンチを前進させ，通常の軸押しパンチで軸押する左側は25mmの軸押し量δLで停止させ，本発明例の軸押しパンチで軸押しする右側の軸押し量δRは20〜100mmで変動させて，その影響を調査した。調査した項目としては，図１１に示されるようなＴ成形部の枝管高さhを選択した。また，通常の軸押しパンチとの比較をするため，右側の軸押しも左側の軸押しパンチと同様の通常の軸押しパンチを使用した試験も行った。
【００４２】
試験結果を図１３に示す。本結果より，通常の軸押しパンチに比べて，本発明例の軸押しパンチで軸押した方が枝管高さhは高くなる。本発明品の軸押しパンチは，管端より100mmの位置を掴んで軸押すため，通常の軸押しパンチより枝管部に材料を流入させやすいからである。特に軸押し量が大きくなるにしたがって，その効果は大きくなる。
【００４３】
また，通常の軸押しパンチでは80mm以上の軸押し量を負荷すると，直管部で座屈が発生してしまい，それ以降はほとんど枝管部に材料が流入しなかった。それに対して，本発明例の軸押しパンチでは，100mmの軸押しでも直管部で座屈しなかった。これは，一つには金属管２の内部から物理的な拘束があるということと，Ｏリングにより管端側では内圧が負荷されないため摩擦抵抗も少なくなるという二つの理由からである。
【産業上の利用可能性】
【００４４】
本発明は，自動車用の排気系部品，サスペンション系部品，ボディ系部品等の製造に好適なハイドロフォーム加工に利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】直管部が長いハイドロフォーム成形品の説明図である。
【図２】直管部が長いハイドロフォーム成形品における課題の説明図である。
【図３】直管部の座屈を防止するために挿入部の長さを長くした場合の軸押しパンチの説明図である。
【図４】ＵＯ鋼管の製造に使用されるメカニカルな拡管装置の説明図である。
【図５】本発明のハイドロフォーム加工用軸押しパンチの説明図である。
【図６】本発明のハイドロフォーム加工用軸押しパンチのテーパ部品と分割チップの説明図である。
【図７】本発明の分割チップ固定方法の説明図である。
【図８】本発明の分割チップを固定用ゴムバンドで固定しない場合の構造の説明図である。
【図９】本発明のパンチ先端部品のＯリング用溝がテーパ形状でない場合の説明図である。
【図１０】本発明で使用される各種のメタルシール形状の説明図である。
【図１１】本発明の実施例であるＴ字成形の説明図である。
【図１２】本発明の実施例で使用した軸押しパンチの説明図である。
【図１３】本発明の実施例として試験したＴ字成形試験結果の説明図である。
【符号の説明】
【００４６】
１……ハイドロフォーム成形品
２……金属管
３……ハイドロフォーム上金型
４……ハイドロフォーム下金型
５……通常の軸押しパンチ
６……圧力媒体（例えば水）
７……管内部への挿入部分が長い軸押しパンチ
８……パンチ先端部品
９……分割チップ
１０……テーパ部品
１１……メタルシール部品
１２……フランジ
１３……パンチ先端用Ｏリング
１４……メタルシール部品用Ｏリング
１５……フランジ用Ｏリング
１６……固定ボルト頭部
１７……固定ボルト太径部
１８……固定ボルト細径部
１９……固定ボルト先端ネジ部
２０……メタルシール部
２１……パンチ先端摺動部
２２……テーパ部品テーパ面
２３……テーパ部品円筒部
２４……テーパ部品突起部
２５……分割チップスライド面
２６……分割チップ接触面
２７……分割チップスライド用凹部
２８……分割チップ固定バンド用凹部
２９……分割チップ固定用ゴムバンド
３０……注水用の穴
３1……分割チップ固定スプリング
３２……段付きメタルシール部
３３……テーパメタルシール部
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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