(57)【要約】液体衝撃成形またはハイドロフォーミング中に管を穿孔して、孔の周囲の材料の変形が最小である孔を形成する方法である。本方法は、（１）管に液体を充填するステップと、（２）管をスタンピングするステップであって、それにより、管内の液体の圧力を上昇させるステップと、（３）テーパー付きパンチにより圧力が上昇している間に管を穿孔するステップであって、それにより、穿孔された孔の回りの材料が、管の内圧の上昇により金型の壁に向けて押し戻される、穿孔するステップと、（４）テーパー付きパンチを管から後退させるステップであって、それにより、パンチの端面が管の壁に引っ掛かり、金型の壁に向けて材料を引き戻す、管から後退させるステップと、を含む。
2005530621.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
穿孔された管を形成するプロセスであって、
所与の内部形状の金型キャビティを有する金型を設けるステップであって、それにより、前記金型キャビティの内部形状に一致する外部形状を有するスタンピングされた管を形成する、金型を設けるステップと、
前記金型キャビティ内に液体が充填された管を配置するステップと、
前記管内の圧力を上昇させるステップであって、それにより、前記管を前記金型キャビティの内部形状に一致させる、圧力を上昇させるステップと、
前記圧力が静圧を上回っている間に、テーパー付きパンチで前記管を穿孔するステップと
を含む、穿孔された管を形成するプロセス。
【請求項２】
前記穿孔するステップにより、孔の周囲の材料が前記金型キャビティに部分的に突出する、請求項１に記載の穿孔された管を形成するプロセス。
【請求項３】
前記圧力を上昇させるステップにより、前記孔の周囲の材料が形成され、前記金型キャビティの内部形状に対して押し付けられる、請求項２に記載の穿孔された管を形成するプロセス。
【請求項４】
前記テーパー付きパンチを前記管から後退させるステップであって、それにより、前記パンチは、突出した前記材料を引き戻して、前記管の外部形状とほぼ同一平面をなすようにする、後退させるステップをさらに含む、請求項３に記載の穿孔された管を形成するプロセス。
【請求項５】
前記圧力を上昇させるステップは、前記管の液体衝突成形により行われる、請求項１に記載の穿孔された管を形成するプロセス。
【請求項６】
前記圧力を上昇させるステップは、前記管のハイドフォローミングにより行われる、請求項１に記載の穿孔された管を形成するプロセス。
【請求項７】
管を穿孔するプロセスであって、
管に液体を充填するステップと、
前記管内の前記液体の内圧を上昇させるステップと、
残りの部分よりも大きい端面を有するパンチを用いて、前記管を穿孔するステップと、
前記パンチを前記管から引き戻すステップであって、それにより、前記パンチが前記管に引っ掛かって引張るようにする、管から引き戻すステップと
を含む管を穿孔するプロセス。
【請求項８】
前記穿孔するステップにより、孔の周囲に変形した材料が生じる、請求項７に記載の管を穿孔するプロセス。
【請求項９】
前記テーパー付きパンチを孔から引き戻すステップであって、それにより、前記孔の周囲の前記変形した材料は、前記管の外部形状にほぼ一致するように後退する、孔から引き戻すステップをさらに含む、請求項８に記載の管を穿孔するプロセス。
【請求項１０】
前記管の内圧は、孔の周りの前記変形した材料を前記管の外部形状に向けて付勢するように維持され、それにより、前記孔の周りの前記材料は、外部形状と同一平面をなすように付勢される、請求項９に記載の管を穿孔するプロセス。
【請求項１１】
前記液体は、前記管の両側の一対の端部キャップにより前記管に封入される、請求項１０に記載の管を穿孔するプロセス。
【請求項１２】
前記内圧を上昇させるステップ中に、金型が前記管の両端部の前記端部キャップを保持する、請求項１１に記載の管を穿孔するプロセス。
【請求項１３】
金属管を穿孔する方法であって、
管に液体を充填するステップと、
液体を充填した前記管を金型でスタンピングすることであって、それにより、前記管内の液体の圧力を、大気圧を上回って上昇させる、スタンピングするステップと、
パンチにより圧力が上昇している間に前記管を穿孔することであって、それにより、いかなる変形した材料も、加圧液体により前記金型に向けて押し戻される、穿孔するステップと、
前記パンチを穿孔された前記管から後退させるステップと
を含む、金属管を穿孔する方法。
【請求項１４】
前記管は密封された内部を含む、請求項１３に記載の金属管を穿孔する方法。
【請求項１５】
前記管の内部の圧力を所定の圧力まで上昇させるステップをさらに含む、請求項１４に記載の金属管を穿孔する方法。
【請求項１６】
前記所定の圧力は、前記材料のいかなる変形も元に戻すことができ、それにより、前記材料は前記管の外面と同一平面をなすようになる、請求項１５に記載の金属管を穿孔する方法。
【請求項１７】
穿孔された管を形成するプロセスであって、
パンチを軸に沿ってキャビティに突出させた金型キャビティを設けることであって、前記パンチの断面積は、前記軸に沿って前記キャビティに向かって増加している、金型キャビティを設けるステップと、
管を前記金型キャビティ内に配置するステップと、
前記管を前記金型キャビティでスタンピングするステップと、
前記管を前記パンチで穿孔するステップであって、それにより、前記管に孔が画定され、該孔の周りの材料が変形する、穿孔するステップと、
前記パンチを前記管から引き戻すステップと
を含む、穿孔された管を形成するプロセス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
［発明の背景］
本発明は、管の穿孔に関し、より詳細には、液体が充填された金属管の穿孔に関する。
【０００２】
たとえば自動車産業の場合に、金属管を冷間成形して構造部材を作製する２つの従来の方法は、ハイドロフォーミングおよび液体衝突成形である。通常のハイドロフォーミング法では、管は、金型でスタンピングされることにより部分的に変形する。次に、管の壁の降伏強さを越える内液圧が管に加えられ、風船を膨らませるように管を膨張させて金型キャビティに一致するようにする。液体衝撃成形法では、管には大気圧で液体が充填されて密封される。管は金型キャビティでスタンピングされる。スタンピング中、液体は生成された圧縮力に抵抗し、管の壁を押し付けて金型キャビティの形状に対応させる。
【０００３】
ハイドロフォーミングプロセスまたは液体衝撃成形プロセスの後に、たとえば取り付け点を設けるために、管構造体に通常は孔が穿孔される、すなわち打ち抜かれる。通常は、孔を打ち抜くことにより、孔の周囲の金属が変形する。孔の周囲の材料は通常、打ち抜き孔の周りにクレーター状になる。図２に示すように、管４はパンチ１１０により穿孔され、スラグが形成され、孔１１４が画定される。管の壁１０は打ち抜きプロセス中には支えられていないため、管の壁１０の、孔１１４およびパンチ１１０の周囲の部分の材料１１６は変形する。
【０００４】
孔の周囲の変形を軽減する１つの試みでは、管の孔が穿孔される部分が「予め膨出」される。外側に膨出した材料は、孔の打ち抜き中に押下されてほぼ平坦になる。この技法は、１９８８年９月２９日にAshに発行された米国特許第５，８１３，２６６号に開示されている。結果として、穿孔された管は、外側に膨出した部分を有さずに穿孔された比較される管よりも、孔の周囲の変形が少ない。変形を減らすとともに、このプロセスでは、金属管の打ち抜き孔の周りにさらに膨出部を形成する必要があるため、管成形プロセスには別途のステップが追加され、スタンピングのコストが増加する。
［発明の概要］
【０００５】
上記の問題は、本発明において、液体が充填された管がスタンピング中にテーパー付きパンチにより穿孔されて、孔の周囲の材料の変形が最小である孔を形成することにより克服される。より詳細には、液体衝撃成形またはハイドロフォーミング、および管の穿孔の好ましいプロセスは、以下のステップを含む。第１に、液体が充填されて密封された管が金型キャビティ内に配置される。第２に、管がスタンピングされ、管内の液体の内圧がスタンピングの圧縮力により高められ、それにより、管の外面が金型キャビティの内面に一致する。第３に、金型キャビティ内のテーパー付きパンチが管の壁を穿孔する。管の内圧の上昇により、穿孔された孔付近の変形した材料が、金型の壁に対して押し戻される。テーパー付きパンチは、材料がその穿孔前の位置に自由に動くことを可能にする。最後に、テーパー付きパンチが金型キャビティから後退する。後退中、テーパー付きパンチの比較的大きい端部が、孔付近の材料に引っ掛かり、金型の壁に対して材料を引き戻す。
【０００６】
本発明は、さらなる機械加工を必要とせずに、スタンピングされた管を穿孔し、きれいなで明確に画定された孔を管に形成するための、効率的かつ経済的なプロセスを提供する。
【０００７】
本発明のこれらおよび他の目的、利点、および特徴は、好ましい実施形態の詳細な説明および図面を参照することにより、より容易に理解および認識されるであろう。
［好ましい実施形態の詳細な説明］
【０００８】
本発明の好ましい実施形態により製造された穿孔された管を、図２に、全体的に４で示す。図２は、穿孔された後の管を示す。穿孔された管は、孔８を画定する壁部１０を含む。孔８の周りには材料６があり、材料６は、壁部１０とほぼ同一平面をなすように押し戻される。穿孔された管は、上金型３と下金型２との間でスタンピングされた後の状態で示される。テーパー付きパンチ１２は、孔８を形成したため、この孔に対応する。パンチ１２は、その縦軸に沿ってテーパー状になっている。あるいは、パンチは、その端面がパンチの残りの部分よりも大きくなるように構成されてもよい。当業者には理解されるように、パンチの断面は、限定はされないが、円形、楕円形、正方形、矩形、およびその他を含む様々な形状であってよい。
【０００９】
図２はまた、金型の断面を示す。金型部２および３は、金型キャビティ９を形成する。図２の金型キャビティ９は、半円形の断面形状を有して示されるが、当業者には理解されるように、金型キャビティは、他の非円筒形または多角形の断面形状を有して、他の金型キャビティ内部形状を形成してもよい。
【００１０】
作製方法
管の孔を画定する部分の材料の変形が最小であるようにする、管の穿孔の好ましいプロセスは、概して、管内に大気圧で液体を封入すること、液体衝撃金型で管をスタンピングすること、密閉したスタンピング金型内で、テーパー付きパンチを用いて管の壁を穿孔し、それにより、管の内圧が穿孔された孔の周りの変形した材料を付勢して、孔付近の管の壁に対して押し戻す、穿孔すること、および、テーパー付きパンチを孔から後退させ、それにより、テーパー付きパンチが孔の周りの材料を金型に対して引き戻すようにする、後退させること、を含む。このようにして、明確に画定された孔が形成される。
【００１１】
液体衝撃成形プロセスでは、穿孔による孔の周りの変形が最小である穿孔された管を作製するために、管を液体衝撃用の金型内にスタンピングする前に、ほぼ大気圧で管に液体を充填せねばならない。安価で即座に利用可能な液体の１つは水である。当該技術分野において既知のように、所望であれば、潤滑剤、殺菌剤、またはさび止め剤などの添加剤を液体に加えることができる。図３は、管に液体を充填する好ましい方法を示す。管４は、開口端部１４および１６、ならびに所与の内容積（図示せず）を有する。管４は、液体２０を収容するタブすなわち槽１８に沈められる。開口端部１６は、開口端部１４よりも持ち上げられ、それにより、管の内容積にある空気が持ち上げられた開口端部１６から出て、開口端部１４から入った液体２０で管の内容積が満たされるようになる。
【００１２】
図４を参照すると、管４に液体が充填されると管が密封される。管４を密封する好ましい方法は、管を沈めたままでキャップ２２および２４を管４の両端部に取り付けて、管４内に液体２０を閉じ込めることによる。キャップは、管が後でスタンピングプロセスにおいて受ける加圧に耐えることができるシールを形成するために取り付けねばならない。キャップを管の端部に取り付けて圧密シールを形成する方法は、当該技術分野では既知である。
【００１３】
キャップ２２および２４を管に取り付けた後に、管４の内部は密封すなわち密閉されて、ほぼ大気圧で液体２０が充填された密封管３０が形成される。好ましくは、キャップ２２および２４は、金型部（図示せず）により支えられ、すなわち所定位置に保持されて、スタンピング操作中に管内の圧力が上昇した際にキャップ２２および２４が管の端部から外れるのを防ぐようにする。
【００１４】
図５および図６を参照すると、ほぼ大気圧で液体が充填された密封管３０は、上金型部３が下金型部２と閉合する前、すなわち嵌まり合う前に、下金型部２に配置される。図５は、上金型部３および下金型部２を有する金型を示すが、本発明の方法は、３つ以上の金型を含む金型で、たとえば、側壁金型部も含む金型で用いてもよく、または垂直方向ではなく水平方向に閉じる金型部で用いてもよい。カム鋼（図示せず）に沿って金型内にガススプリング（図示せず）を組み込んで、冷間成形プロセス中に付加的な制御を与えるようにしてもよい。
【００１５】
図６は、好ましい方法によるスタンピング前の管の断面図を示す。管３０は、金型部２と３との間に配置される。テーパー付きパンチ１２は、上金型部３の上金型の壁２８から突出している。
【００１６】
図７は、スタンピングプロセスの開始を示す。上金型部３は、下金型部２に向かって降下する。金型が閉じて密封管３０をスタンピングする際に生成される圧縮力は、管が形状を変えるにつれて管の内部の液体２０を圧縮するようにも作用する。液体は、圧縮に抵抗するため、管３０を金型キャビティ９の内面に対して外側に付勢する。壁部１０は、それに従ってテーパー付きパンチ１２に対して押し付けられる。
【００１７】
図８は、上金型３が降下し続ける際の管３０を示す。パンチ１２は、実質的に変形した壁部１０を有し、それにより、管の内部に膨出部１１が形成される。この時点で、管の内部の液体２０の液圧は、金型内の管の圧縮により、大気圧を実質的に上回って上昇している。当業者には理解されるように、液圧により生成された力は、管の壁の降伏強さの力とほとんど等しい。当業者には理解されるように、管の形成に用いられる材料のタイプに応じて、また管の望ましい形状に応じて、壁の降伏強さを越えるのに必要な正確な液圧が計算され得る。
【００１８】
次に、図９に示すように、金型２と３との間のさらなる圧縮により、管３０の内部の液体２０の内圧は、壁１０の降伏強さを越える力を生成するのに必要な圧力を上回って上昇する。したがって、この圧力により、テーパー付きパンチ１２は膨出部１１を切り抜いて孔８を画定し、スラグ３６が形成される。孔８の周りの材料６は、パンチ１２の穿孔作用により、孔の中心に向かって伸び、内側に突出する。液体２０の内圧Ｐは、同時に、変形した材料６が上金型の壁２８に対して外側に付勢されるようにする。
【００１９】
図１０および図１０ａに示すように、管３０の上昇した内圧Ｐは、孔８の周囲の材料を金型の壁２８に対して押し続ける。パンチ１２のテーパーがあるため、金型の壁２８に対する孔の周りの材料の付勢は、パンチ自体によっては阻止されない。図１０ａを特に参照すると、孔８の周りの材料は、非常に伸びた状態で、パンチ６の拡大部の経路に突出して、破線で示される。上昇した内圧Ｐが伸びた材料に作用した後に、伸びた材料は金型の壁２８に対して外側に押し戻され、それにより、実線で示すようにパンチの周りにより接近するようになる。従来技術の円筒形のパンチとは異なり、材料６は、金型の壁２８に向かって外側に移動する際に、テーパー付きパンチに対して折り重ならない。孔８の周りの変形した材料６が金型の壁２８に対してほぼ元に戻ると、テーパー付きパンチ１２が後退する。
【００２０】
図１１および図１１ａは、孔８からのテーパー付きパンチの後退を示す。後退中、孔８の周囲の、テーパー付きパンチ１２の経路に突出した伸びた材料６は、テーパー付きパンチ１２により上金型の壁２８に対して外側に引き戻される。
【００２１】
図１２に示すように、孔８の周囲の材料６は、管３０の壁部１０とほぼ同一平面をなす。管３０が穿孔されてパンチ１２が後退した後、上金型部３および下金型部２は分離されて、スタンピングおよび穿孔された管３０が離型される。端部のキャップ２２および２５（図５）が取り外される。管の端部は、当該技術分野で既知の方法を用いて仕上げられる。
【００２２】
作製の代替法
穿孔された孔の周りの変形が最小であるように管を穿孔する代替法は、当業者には理解されるように、上述の好ましいプロセスとともにハイドロフォーミング技法を用いて行うことができる。
【００２３】
上記の説明は、本発明の好ましい実施形態の説明である。添付の特許請求の範囲に定義される本発明の精神およびより広い態様から逸脱しない限り、様々な修正および変更を加えることができ、添付の特許請求の範囲は、均等論を含む特許法の原理に従って解釈されるものとする。単数形、たとえば単数を示す冠詞を用いた、特許請求の範囲の構成要素に対するいかなる言及も、その構成要素が単数に限定されるものと解釈されるべきではない。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】孔を形成するために管がパンチにより穿孔される、従来技術の方法の断面図である。
【図２】穿孔後の本発明の方法による管およびプレスの断面図である。
【図３】液体中に沈められた管の側面図である。
【図４】液体中に沈められた、液体が充填された密封管の側面図である。
【図５】開放金型内の液体が充填された密封管の斜視図である。
【図６】管がスタンピングされる前の管および金型の断面図である。
【図７】最初に係合された管および金型の断面図である。
【図８】管のスタンピング後および管の穿孔前の管および金型の断面図である。
【図９】管の穿孔直後の管および金型の断面図である。
【図１０】管が完全に穿孔された後の管および金型の断面図である。
【図１０Ａ】管が完全に穿孔された後の管および金型の拡大断面図である。
【図１１】テーパー付きパンチが後退する際の管および金型の断面図である。
【図１１Ａ】テーパー付きパンチが後退する際の管および金型の拡大断面図である。
【図１２】テーパー付きパンチが完全に後退した後の管の断面図である。
【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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2005530621.tif 000014
2005530621.tif 000015
【図１２】
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【国際調査報告】
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