(57)【要約】【課題】ハイドロフォーム成形品にボルト締結用のナットを取付ける際に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ロフォーム成形の難易度が増さないようにすること、ボ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、を目的とする。【解決手段】  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挿入し、ハイドロフォーム成形した後に、前記穿孔パンチを前進させて、ハイドロフォーム成形品の一部を穿孔し、前記ナットの後方に配置した前記中間部で前記ナットを押しながら、前記ナットを金属管に埋め込む方法。【選択図】図７
2008110349.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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内面側に押し込みつつ、前記ナッ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。
【請求項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、
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ットが配置され、前記ナッ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。
【請求項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。
【請求項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ーリング加工部を有し、当該バーリング加工部の内側にナット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。
【請求項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記載のハイドロフォーム加工部品。
【請求項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。
【請求項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ォーム加工部品。
【請求項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。
【請求項９】
前記ナット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工部品。
【請求項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請求項４〜９の何れか１項に記載のハイドロフォーム加工部品。
【請求項１１】
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。
【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ロフォーム加工部品と、当該加工部品と結合された構造体に関する。
【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。
【０００３】
ハイドロフォ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、ハイドロ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、ハイドロフォーム金型（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、ハイドロフォーム成形品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。
【０００４】
以上のようにハイドロフォームには多くの利点があるが、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)のようなスポット溶接や、(b)のようなボルト締結で他部品１１と固定されていた。しかし、ハイドロ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１３を溶接することはできるが、その分、ハイドロフォーム成形品１の外面側にナット１３が突き出るため、他部品１１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
【０００５】
ハイドロフォーム成形品にナットを取付ける例としては、特許文献１がある。図４に示すように、ハイドロフォーム成形品（同図中の記号３）の外面に袋状ナット（同図中の記号１８）を取り付けた短管部材（同図中の記号１６）を巻き付けてハイドロフォームする方法である。
【０００６】
また、ハイドロ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許文献２がある。本方法と前述の特許文献１との主な相違点は、ナット（同図中の記号１）が短管部材（同図中の記号３）とハイドロフォーム成形品（同図中の記号１５）との間に挟まれるという点である。
【０００７】
また、その他の従来技術としては特許文献３がある。本方法は、図６に示されるように、ハイドロフォーム成形品の内面側にバーリング加工部（同図中の記号１９）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（同図中の記号１９）にタップ加工（同図中の記号２２）を施してボルト（同図中の記号２３）を用いて他部品（同図中の記号１０）と結合する方法である。
【特許文献１】特開２００２−４５９２６号公報
【特許文献２】特開２００３−３３４６２５号公報
【特許文献３】特開２００５−２９７０６０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上記特許文献１の技術では、袋状ナットと短管部材をハイドロ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ロフォームする場合、当該箇所の成形が非常に難しくなり、ハイドロ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、適用可能なハイドロフォーム成形品形状も限られる。逆に、ハイドロフォームの成形を可能にするために、ナットの長さを短くせざるを得ない場合も生じてくるため、ボルトとの締結強度を十分確保できないこともありうる。
【０００９】
また、上記特許文献２の技術では、短管部材が必要である点、ハイドロ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許文献１と同様の課題を持っている。
【００１０】
また、上記特許文献３の技術を用いた場合には、ハイドロ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、本方法はハイドロフォーム成形品に直接タ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。
【００１１】
本発明は、上述のように、従来はハイドロフォーム成形品にボルト締結用のナット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ロフォーム成形の難易度が増さないようにすること、ボ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っ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。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
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。
【００１３】
（１）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内面側に押し込みつつ、前記ナッ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、
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ットが配置され、前記ナッ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ーリング加工部を有し、当該バーリング加工部の内側にナット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）記載のハイ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前記（４）〜（６）の何れか１項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前記（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）前記ナット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１項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１項に記載のハイドロフォーム加工部品。
（１１）前記（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。
【発明の効果】
【００１４】
本発明により、従来はハイドロフォーム成形品にボルト締結用のナット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ロフォーム成形の難易度が増さないようにすること、ボ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が可能になる。それにより、ハイドロフォーム後に他部品とボ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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明では、まず通常のハイドロ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ロフォーム加工によってハイドロフォーム成形品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ット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。
【００１６】
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。
【００１７】
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っており、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っている。
【００１８】
図７(a)の状態は、ハイドロ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、ハイドロフォーム成形品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、ハイドロ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１６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１７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。
【００１９】
埋め込みナット１７の外径は前述の下金型穴先端部２１の内径より小さくしておき、高さは下金型穴先端部２１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ット１７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、しかも埋め込みナット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１８上面の位置と等しくなる。
【００２０】
次に、図７(b)のように、ハイドロフォーム成形品１の内部を高圧に保持したまま一次ピアスパンチ１６の先端部１８を埋め込みナット１７を通して上昇（前進）させる。一次ピアスパンチ先端部１８の上面コーナー２５はＲを取らずにシャープにしてある。そのため、ハイドロフォーム成形品１が穿孔され金属片７が分離する。いわゆる図１(a)で説明したピアシングが行われる。
【００２１】
図７(c)のように、更に一次ピアスパンチ１６を上昇させると、一次ピアス中間部１９は一次ピアスパンチ先端部１８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ット１７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、ハイドロフォーム成形品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１７の上昇に伴い、前述の工程(b)で空けられたハイドロフォーム成形品１の穴が押し広げられ、ハイドロフォーム成形品１の内面側にバーリング加工部２７が成形される。
【００２２】
また、図７（ｃ）のように一次ピアスパンチ１６の上昇する最終的な高さを、中間部１９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、埋め込みナット１７の下面Ｂがハイドロフォーム成形品１の外表面と同じ位置になる。
【００２３】
最後に図７(d)のように一次ピアスパンチ１６を下方に後退すると、埋め込みナット１７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１６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１６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１６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、ハイドロフォーム成形品１を下金型３から取り出した後に一次ピアスパンチ１６を後退させることもあり得る。この場合は、ハイドロフォーム成形品１を取り外す際に埋め込みナット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１６の駆動方向は上方だけでよく、後退させる場合は、ハイドロフォーム成形品１を取り出した後に手動あるいはロボ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ット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。
【００２４】
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アスパンチ１６のみの場合である。しかし一次ピアスパンチ１６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を埋め込みナット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２１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と埋め込みナット１７は広い面積で接触するため、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、埋め込みナット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。
【００２５】
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、ハイドロフォーム成形品１の内面側にバーリング加工部２７が成形され、当該箇所に埋め込みナット１７が取付けられたハイドロフォーム加工部品が得られる。すなわち、従来技術の特許文献１や２で必要であっ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ロ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ォーム成形の難易度が増すことはない。
【００２６】
上記で得られたナットの埋め込まれたハイドロフォーム加工部品に他部品１１を取付けボルト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ロ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、ボ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１７を取り付けている箇所では、ハイドロフォーム成形品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。よって、取付けボルト２９と埋め込みナットとが勘合する有効ネジ長さに関しても、特許文献１や２の従来技術よりも有利となる。また、本発明では、埋め込みナット１７の厚みも自由に変えられるため、特許文献３の従来技術では適用できなかった薄肉のハイドロフォーム成形品にも適用可能となる。
【００２７】
本発明では、高内圧下で埋め込みナット１７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。
【００２８】
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１７が回転しないための強化方法を述べる。埋め込みナット１７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ット１７が有効である。同図(a)は六角形の埋め込みナット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を埋め込んでバ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３１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。
【００２９】
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、バー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、ナットを製作する上でのコストは高くなる。
【００３０】
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。
【００３１】
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ット３４の例である。形状が複雑になると、ナット製作コストや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。
【００３２】
次に、埋め込みナット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１１に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、バーリング加工部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、バーリング加工部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、管外面側にナット３５が外れにくい構造となる。
【００３３】
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。
【００３４】
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ットが外れにくい構造となる。
【００３５】
また、埋め込みナット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、管の外面側へナットが外れにくい構造となっている。
【００３６】
また、(f)の例のように、ナットの側面に１ヶ所あるいは複数箇所、溝４２を設けた埋め込みナット４１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。
【００３７】
次に、埋め込みナット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１２(a)に示すように、埋め込みナット１７の管外表面側の面Ｂがハイドロフォーム成形品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、取り付けボルト２９を用いて他部品１１を結合すると、取り付けボルト２９の締付けと共に食い込み部４３が潰され、ナットがより外れにくい構造になる。
【００３８】
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、バー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１３である。このような構造にすると埋め込みナット１７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工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、ハイドロフォーム成形品１の材料が穴広げ率の低い場合に有利となる。
【００３９】
上記のように、バーリング先端部４４を埋め込みナット１７の外径まで広げないようにするには、埋め込みナット１７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、埋め込みナット１７の高さが高いまま、図１３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ロフォーム成形の時点で、一次ピアスパンチ１６及び埋め込みナット１７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２１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１８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１７をハイドロフォーム成形品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１３のような構造が得られる。
【００４０】
更に、図１５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ット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、埋め込みナッ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。
【００４１】
以上のような手段を用いると、埋め込みナット１７はハイドロフォーム成形品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１７とハイドロフォーム成形品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】
【００４２】
下記に本発明の実施例を示す。
【００４３】
素管には外径63.5mm、肉厚2.3mm、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10mm、中間部１９の外径を15mm、下金型穴先端部２１の内径を20mm、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ット１７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、20mm（＝7mm＋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7mm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の下面がちょうどハイドロフォーム品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Ｓ５０Ｃ、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。
【００４４】
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20mm×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2.5φ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7mmで、中央にM12のタップ加工を施した。
【００４５】
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イ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。ハイドロフォームの条件としては、最大内圧200MPa、両端の軸押し量50mm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を埋め込みナット１７の穴部分を通して押し込んで各ナットをハイドロフォーム成形品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8mm上昇した後、埋め込みナット１７も共に上昇し、10φの穴を広げながらそのバーリング箇所にそれぞれのナットを埋め込んだ。埋め込みナット１７の上昇ストロークは7mmとしたため、最終的には埋め込みナット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った。
【００４６】
その結果、図１９(a)〜(d)の何れのナットもハイドロフォーム成形品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の形状も良好であったし、バーリング加工部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、何れも同様にナット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、加工後に若干ナッ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。
【００４７】
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。
【００４８】
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7mmから10mmに変えた。その結果、鋼管の外表面側におけるナットの面Ｂがハイドロフォーム成形品１の外表面より3mm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。
【００４９】
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3mm増加しているため、ナットをセットした初期状態で、ナット上面が下金型３の表面より3mm上の位置（管の内側）になる。この程度であればハイドロフォームの条件も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ットを埋め込んだが、埋め込みナットのストロークは4mmに設定したため、最終的なナッ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4mm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。よって、バーリング加工部の先端の穴径がナット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、ナットの上面を一部覆った形の構造が得られた。
【００５０】
以上のように全てのケースで問題なくナッ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3mm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M12×長さ20mmの六角ボルトで固定した。その結果、上述の何れのケースでも問題なく他部品とのボルト締結ができた。また、図１９(a)のナットが取り付いたハイドロフォーム成形品の中の一体を、ナット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ボルト締結することができた。
【産業上の利用可能性】
【００５１】
本発明は、金属管を金型に入れて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、サスペンション系部品、ボディ系部品等の製造に用いられるハイドロフォーム加工部品に加工する際に特に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】従来のピアシング方法の説明図を示す。
【図２】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】従来のハイドロフォーム成形品の外側にナットを溶接して他部品とボルト締結した場合の説明図を示す。
【図４】特許文献１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】特許文献２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６】特許文献３より抜粋したハイドロフォーム成形品にバーリング加工を施して直接タップ加工する方法の説明図を示す。
【図７】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】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。（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９】本発明のナットを埋め込んだハイドロフォーム成形品、及び当該ハイドロフォーム成形品と他部品とをボ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）ボルト締結後（断面図は外観図のＡ−Ａ断面を示す）
【図１０】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】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】埋め込みナット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】バーリング加工部の先端の穴径がナットの外径よりも小さくなっている場合の本発明の説明図を示す。
【図１４】バーリング加工部の先端の穴径がナット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】本発明の側面にディンプル加工が施された埋め込みナットの説明図を示す。（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】埋め込みナットとハイドロ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】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】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）一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】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】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、初期にナッ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。
【符号の説明】
【００５３】
１    ハイドロフォーム成形品
２    ハイドロフォーム上金型
３    ハイドロフォーム下金型
４    軸押しパンチ
５    圧力媒体（例えば水）
６    ピアスパンチ（完全打ち抜き型）
７    ピアシングにより打ち抜いた金属片
８    ピアスパンチ（一部残し型）
９    ハイドロフォーム成形品に取り付いたままの打ち抜き金属片
１０    プレス品
１１    他部品
１２    スポット溶接電極
１３    ナット
１４    ナット取付け溶接部
１５    ボルト
１６    一次ピアスパンチ
１７    埋め込みナット
１８    一次ピアスパンチ先端部
１９    一次ピアスパンチ中間部
２０    一次ピアスパンチ後端部
２１    下金型穴の先端部
２２    下金型穴の中間部
２３    下金型穴の後端部
２４    埋め込みナットのタップ
２５    一次ピアスパンチ上面コーナー
２６    埋め込みナット上面（内面側）コーナー
２７    バーリング加工部
２８    二次ピアスパンチ
２９    取付けボルト
３０    六角形の埋め込みナット
３１    六角形の埋め込みナットの角部
３２    楕円形の埋め込みナット
３３    円形の一部をカットした断面形状の埋め込みナット
３４    曲線を組み合わせた断面形状の埋め込みナット
３５    管内面側が大径となっているテーパ形状の埋め込みナット
３６    管内面側が小径となっているテーパ形状の埋め込みナット
３７    樽状の埋め込みナット
３８    鼓状の埋め込みナット
３９    つば付き埋め込みナット
４０    つば付き埋め込みナットのつば
４１    溝付き埋め込みナット
４２    溝付き埋め込みナットの溝
４３    食い込み部
４４    バーリング先端部
４５    凹状ディンプル付き埋め込みナット
４６    凹状ディンプル
４７    凸状ディンプル付き埋め込みナット
４８    凸状ディンプル
４９    埋め込みナットとハイドロフォーム成形品との溶接部
Ａ    ナットの上面
Ｂ    ナットの下面（金属管の外表面側におけるナットの面）
【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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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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