(57)【要約】【課題】比較的簡単な操作で、しわや割れを発生させずに高い膨出量のハイドロフォームを行うことが可能なハイドロフォーム用鋼管を提供する。【解決手段】肉厚×引張強さで表される強度の異なる２種の鋼材１０，１１が管軸方向に連続するように配置されたハイドロフォーム用鋼管１であって、強度の大きい鋼材１０の総面積が、強度の小さい鋼材１１の総面積よりも小さいことを特徴とする。本発明のハイドロフォーム用鋼管１を用いてハイドロフォームを行うことにより、高い膨出量の成形を、しわや割れを発生させずに行うことが可能となる。本発明によれば、例えばＴ字状の枝管を製造する場合、鋼管の直径Ｄ（ｍｍ）に対して、成形高さが２Ｄ（ｍｍ）以上となるような枝管を容易に成形することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
肉厚×引張強さで表される強度の異なる２種の鋼材が管軸方向に連続するように配置された鋼管であって、
前記強度の大きい鋼材の総面積が、前記強度の小さい鋼材の総面積よりも小さいことを特徴とする、ハイドロフォーム用鋼管。
【請求項２】
鋼管の直径をＤ（ｍｍ）としたとき、前記強度の大きい鋼材の周方向の幅が（０．５〜１．５）Ｄ（ｍｍ）であることを特徴とする、請求項１に記載のハイドロフォーム用鋼管。
【請求項３】
前記強度の大きい鋼材の周方向の幅が、管軸方向に一定であるか、または、連続的に変化していることを特徴とする、請求項１または２に記載のハイドロフォーム用鋼管。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載のハイドロフォーム用鋼管を金型に挿入して、内圧および軸押力を付与しながら成形することを特徴とする、ハイドロフォーム成形方法。
【請求項５】
ハイドロフォーム用鋼管を金型に挿入するに際し、前記強度の大きい鋼材が張り出し用の空洞部に面するように位置合わせすることを特徴とする、請求項４に記載のハイドロフォーム成形方法。
【請求項６】
鋼管の直径をＤ（ｍｍ）としたとき、成形高さが２Ｄ（ｍｍ）以上となるように成形することを特徴とする、請求項４または５に記載のハイドロフォーム成形方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鋼管を金型に入れて型締めした後、管内に内圧と軸押力を付与しながら所定形状に成形するハイドロフォーム用鋼管とハイドロフォーム成形方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ハイドロフォームは、プレス成形や溶接と比べて一体成形が複雑な形状を得ることができ、部品点数の軽減、部品の軽量化、高強度化、コストダウン等の利点がある。ハイドロフォームは、特に自動車部品の製造分野などで注目を浴びており、国内でも１９９９年から実車への適用が開始されている。それ以降、ハイドロフォーム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ている。
【０００３】
ハイドロフォームは、張出用空洞部を有する金型内に鋼管を挿入して型締めした後、その両端を軸押しパンチにより軸押ししつつ管内に内圧を作用させ、鋼管を張出用空洞部に向けて膨出させて例えばＴ字状の枝管を成形する技術である。ハイドロフォームを行う場合、膨出量を多くして枝管などの長さを長くできれば、それだけ加工できる部品の種類も増え、汎用性が高くなる。
【０００４】
一方で、ハイドロフォームにおいては、膨出量を多くし過ぎると、成形に伴ってしわや割れが発生するといった問題がある。また、膨出量が多くなると、膨出部の肉厚が薄くなって、強度不足や破断が発生する懸念もある。
【０００５】
そこで従来、ハイドロフォームを行うに際し、張出用空洞部を構成する金型を移動させ、成形中に張出用空洞部の幅を適当に制御することにより、成形に伴うしわや割れの発生を回避する方法が開示されている（特許文献１）。また、膨出部の強度不足や破断を防止するために、鋼管の長手方向に強度や肉厚の異なる複数の短尺鋼管を接合したいわゆるテーラードチューブを利用し、膨出部に該当する箇所における鋼管の強度や肉厚を増加させる手法が開示されている（特許文献２）。
【特許文献１】特開２００２−１５３９１７号公報
【特許文献２】特開２００１−３２１８４４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記特許文献１の技術では、成形に伴うしわや割れの発生を抑制するために、張出用空洞部の幅を制御することが必要であり、操作が煩雑となる。加えて、金型を移動させる機構も必要となり、装置構成も複雑となってしまう。
【０００７】
また、上記特許文献２のようにテーラードチューブを利用した場合、膨出部の強度不足や破断は防止できるものの、膨出量を多くすることが容易でないという問題がある。例えばＴ字状の枝管を成形する場合、容易に成形できる枝管の高さは、鋼管の直径Ｄ（ｍｍ）とほぼ同程度までが限度であり、高さが２Ｄ（ｍｍ）以上となるような枝管を成形するには、上記特許文献１のような制御が必要となる。また、高さが十分な枝管を成形できないために、ハイドロフォーム後、更に短管部材を溶接で接合する等の工程が必要となり、作業効率の向上がはかれなかった。
【０００８】
したがって本発明の目的は、比較的簡単な操作で、しわや割れを発生させずに高い膨出量のハイドロフォームを行うことが可能なハイドロフォーム用鋼管を提供するとともに、当該ハイドロフォーム用鋼管を用いたハイドロフォーム方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
かかる課題を解決するために、本発明によれば、肉厚×引張強さで表される強度の異なる２種の鋼材が管軸方向に連続するように配置された鋼管であって、前記強度の大きい鋼材の総面積が、前記強度の小さい鋼材の総面積よりも小さいことを特徴とする、ハイドロフォーム用鋼管が提供される。このハイドロフォーム用鋼管は、例えば、鋼管の直径をＤ（ｍｍ）としたとき、前記強度の大きい鋼材の周方向の幅が（０．５〜１．５）Ｄ（ｍｍ）である。また、前記強度の大きい鋼材の周方向の幅が、管軸方向に一定であるか、または、連続的に変化していても良い。
【００１０】
また、本発明によれば、これら本発明のハイドロフォーム用鋼管を金型に挿入して、内圧および軸押力を付与しながら成形することを特徴とする、ハイドロフォーム方法が提供される。この場合、ハイドロフォーム用鋼管を金型に挿入するに際し、前記強度の大きい鋼材が張り出し用の空洞部に面するように位置合わせすることが好ましい。また、鋼管の直径をＤ（ｍｍ）としたとき、成形高さが２Ｄ（ｍｍ）以上となるように成形しても良い。
【発明の効果】
【００１１】
本発明のハイドロフォーム用鋼管を用いてハイドロフォームを行うことにより、高い膨出量の成形を、しわや割れを発生させずに行うことが可能となる。この場合、ハイドロフォームするに際して、金型を移動させる操作なども省略でき、加工が容易となる。本発明によれば、例えばＴ字状の枝管を製造する場合、鋼管の直径Ｄ（ｍｍ）に対して、成形高さが２Ｄ（ｍｍ）以上となるような枝管を容易に成形することができる。その結果、ハイドロフォームの適用部品の種類が増え、適用可能な自動車部品などの範囲が拡大する。また、従来必要であった短管部材の溶接も省略でき、作業効率の向上、コスト削減にも寄与できる。更に、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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の好ましい実施の形態を、図面を参照にして説明する。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。図１は、本発明の実施の形態にかかるハイドロフォーム用鋼管１の斜視図である。
【００１３】
このハイドロフォーム用鋼管１は、肉厚×引張強さで表される強度の異なる２種の鋼材１０，１１のそれぞれが、ハイドロフォーム用鋼管１の管軸方向に連続するように配置された構造を有している。鋼材１０，１１の側面同士を一体的に接続することにより、ハイドロフォーム用鋼管１は、両端が開口した中空の円筒形状に構成されており、２種の鋼材１０，１１が、ハイドロフォーム用鋼管１の両端の間に連続して配置されている。
【００１４】
図示の例では、鋼材１０の強度（鋼材１０の肉厚ｔ１０×引張強さＴｓ１０＝ｔ１０・Ｔｓ１０で表される）が、鋼材１１の強度（鋼材１１の肉厚ｔ１１×引張強さＴｓ１１＝ｔ１１・Ｔｓ１１で表される）よりも大きくなるように設計されている。即ち、ｔ１０・Ｔｓ１０＞ｔ１１・Ｔｓ１１である。
【００１５】
強度（肉厚×引張強さ）の大きい鋼材１０を優先的に変形させるため、鋼材１０，１１の表面積は、強度の大きい鋼材１０の総面積が、強度の小さい鋼材１１の総面積よりも小さくなっている。後述の成形高さを２Ｄ以上（Ｄは鋼管の直径）とするためには、強度の大きい鋼材１０の周方向の幅Ｌ１０は、ハイドロフォーム用鋼管１の直径Ｄ（ｍｍ）に対して、Ｌ１０＝（０．５〜１．５）Ｄ（ｍｍ）の範囲とし、強度の小さい鋼材１１の周方向の幅Ｌ１１は、Ｌ１１＝（π−０．５〜１．５）Ｄ（ｍｍ）の範囲とすることが好ましい。
【００１６】
図２、3は、ハイドロフォーム用鋼管１の製造方法の一例を示している。先ず、図２に示すように、強度の大きい鋼材１０の両側に、２つに分割された強度の小さい鋼材１１ａ、１１ｂを配置する。そして、鋼材１０の両側面に、鋼材１１ａ、１１ｂの一方の側面をレーザー溶接等によってそれぞれ接合する。
【００１７】
こうして、一体的な板形状とした鋼材１０および鋼材１１ａ、１１ｂを丸めて円筒形状に成形し、図３に示すように、鋼材１１ａ、１１ｂの他方の側面同士をレーザー溶接等によって接合する。以上の工程を経て、図１で説明した円管状のハイドロフォーム用鋼管１を製造することができる。
【００１８】
図４、５は、ハイドロフォーム用鋼管１の製造方法の別の例を示している。先ず、図４に示すように、水などの冷却液１５が入れられた容器１６内に、円筒形状の鋼管１’を挿入し、鋼管１’の一部分１０’が、冷却液１５の液面から上方に出た状態にする。この場合、液面上に位置する一部分１０’が、鋼管１’の管軸方向に連続している状態にする。
【００１９】
そして、冷却液１５の液面上に出ている鋼管１’の一部分１０’をレーザー等によって加熱する。なお、このように鋼管１’の一部分１０’を加熱している間、冷却液１５の液面下に浸漬されている鋼管１’の他の部分１１’は、冷却液１５によって冷却されているので加熱されることが無く、鋼管１’の一部分１０’のみを加熱することができる。
【００２０】
こうして、鋼管１’の一部分１０’のみを加熱した後、図５に示すように、鋼管１’全体を冷却液１５の液面下に浸漬させる。そして、冷却液１５の液面上において加熱した鋼管１’の一部分１０’を冷却液１５中で急冷することにより、加熱した鋼管１’の一部分１０’のみを焼入れ処理する。以上の工程を経ることにより、鋼管１’の一部分１０’を強度の大きい鋼材１０に変質させ、他の部分１１’を、鋼材１０よりも強度の小さい鋼材１１として、図１で説明したハイドロフォーム用鋼管１を製造することができる。
【００２１】
この図４、５に示した製造方法では、厚さ、材質が均一な鋼管１’（一般的な鋼管）を用いた場合でも、部分的な熱処理を行うことにより、強度の異なる２種の鋼材１０，１１が管軸方向に連続配置されたハイドロフォーム用鋼管１を製造することができる。また、このように鋼管１’の一部分１０’を強度の大きい鋼材１０に変質させるために、熱処理の他、加工効果や浸炭処理などの強化方法を利用しても良い。
【００２２】
なお、強度の異なる２種の鋼材１０，１１の幅Ｌ１０、Ｌ１１は、管軸方向に対して一定でも良いし、管軸方向に対して連続的に変化していても良い。図６（ａ）は、鋼材１０の幅Ｌ１０が管軸方向に対して一定であるハイドロフォーム用鋼管１を示している。一方、図６（ｂ）（ｃ）は、鋼材１０の幅Ｌ１０が管軸方向に対して連続的に変化しているハイドロフォーム用鋼管１を示しており、図６（ｂ）に示すハイドロフォーム用鋼管１は、管軸方向の中央部において鋼材１０の幅Ｌ１０が狭くなっており、逆に、図６（ｃ）に示すハイドロフォーム用鋼管１は、管軸方向の中央部において鋼材１０の幅Ｌ１０が広くなっている。なお、このように幅Ｌ１０を管軸方向に対して変化させる場合、必ずしも管軸方向の中央部に幅Ｌ１０を狭く（または、広く）させる必要は無い。ハイドロフォーム成形を行う箇所に応じて、幅Ｌ１０を狭く（または、広く）させる箇所を適宜変更すれば良い。
【００２３】
次に、本発明の実施の形態にかかるハイドロフォーム用鋼管１を用いたハイドロフォーム方法を説明する。なお、ハイドロフォームの一例として、ハイドロフォーム用鋼管１の中央部を、管軸方向に対して垂直に膨出させることによりＴ字状の枝管２５を成形する工程を説明する。
【００２４】
先ず、図７に示すように、ハイドロフォーム用鋼管１を一対の金型２０の間に挿入する。この場合、ハイドロフォーム用鋼管１を適宜回転させ、強度の大きい鋼材１０が張り出し用の空洞部２１に面するように位置合わせする。なお、金型２０は、互いに対象の内面形状を有する一対の組で構成され、ハイドロフォーム用鋼管１は、一対の金型２０の内部に挿入されることとなるが、金型２０の内部での状態を説明するために、図７では、手前側に配置される金型２０を省略して示している。
【００２５】
金型２０同士を型締めした後、金型２０間に挿入したハイドロフォーム用鋼管１の両端を、図８に示すように、軸押し型２２によって押圧し、ハイドロフォーム用鋼管１の管軸方向に軸押力（圧縮力）を付与する。また、軸押し型２２の先端面に配置された供給孔２３から、ハイドロフォーム用鋼管１の内部に高圧の液体を供給し、内圧を作用させる。こうして、内圧および軸押力を付与することにより、ハイドロフォーム用鋼管１を空洞部２１に向けて膨出させＴ字状の枝管２５をバルジ成形し、製品２６を製造することができる。
【００２６】
図９は、こうして成形された製品２６の正面図であり、図１０は、枝管２５の先端部分の拡大図である。本発明の実施の形態にかかるハイドロフォーム用鋼管１を用いて製造された製品２６にあっては、上述のように、強度の大きい鋼材１０が空洞部２１に面するように位置合わせされた状態でバルジ成形されるため、強度の大きい鋼材１０においては、空洞部２１の内周面に沿って、ハイドロフォーム用鋼管１の管軸方向に対してほぼ９０°に折り曲げられた前後一対の垂直部３０と、空洞部２１の奥部において空洞部２１をハイドロフォーム用鋼管１の管軸方向に横切るように、垂直部３０先端に跨って配置された水平部３１が形成されることとなる。そして、このように略Ｕ字形状に折り曲げられた前後一対の垂直部３０および水平部３１の両側に、空洞部２１の内周面に沿って変形した強度の小さい鋼材１１が流れ込むことにより、Ｔ字状の枝管２５をバルジ成形することができる。
【００２７】
この場合、強度の大きい鋼材１０は、枝管２５の基部（空洞部２１の入り口側)と空洞部２１の奥部においてそれぞれ２回ずつほぼ９０°に折り曲げられることとなる。こうして折り曲げられる箇所において鋼材１０に割れが発生しないようにするために、鋼材１０の引張強さＴｓ１０は、５９０ＭＰａ≦Ｔｓ１０≦１１８０ＭＰａであることが望ましい。鋼材１０としては、例えば高張力鋼を用いることができる。
【００２８】
一方、強度の小さい鋼材１１は、略Ｕ字形状に折り曲げられた鋼材１０の垂直部３０および水平部３１の両側において、空洞部２１の内周面に沿って変形できるように、鋼材１１の引張強さＴｓ１１は、２７０ＭＰａ≦Ｔｓ１１≦７８０ＭＰａであることが望ましい。鋼材１１としては、例えば軟鋼を用いることができる。
【００２９】
また、このように鋼材１０の引張強さＴｓ１０と鋼材１１の引張強さＴｓ１１を適切な範囲とすることに加えて、鋼材１０の強度ｔ１０・Ｔｓ１０を、鋼材１１の強度ｔ１１・Ｔｓ１１よりも大きくすると共に、強度の大きい鋼材１０の総面積が、強度の小さい鋼材１１の総面積よりも小さくなるように設計することも重要である。これらの条件を満足することにより、Ｔ字状の枝管２５を、割れやしわを発生させずに容易にバルジ成形できるようになる。
【００３０】
また、特に図９中の領域３５で示した枝管２５の先端部近傍においては、垂直部３０と水平部３１に折り曲げられた強度の大きい鋼材１０で囲まれていることによって、図１０に示すように、強度の小さい鋼材１１に対して、枝管２５の長手方向と直交する方向（ハイドロフォーム用鋼管１の管軸方向)の圧縮応力σが作用することとなる。この圧縮応力σの影響により、枝管２５の先端部近傍における鋼材１１の変形モードは、実質的に枝管２５の長手方向のみに伸ばされる単軸引張状態となり、割れが抑制される。また、図９中の領域３６で示した枝管２５の基部においては、強度の小さい鋼材１１の変形モードは純せん断（ｐｕｒｅ  ｓｈｅａｒｉｎｇ)状態となり、同様に割れが抑制される。また、図９中の領域３７で示した枝管２５に対向する反対の管側面においては、強度の小さい鋼材１１の変形モードは圧縮の平面ひずみ（ｐｌａｎｅ  ｓｔｒａｉｎ)状態となるので、より高圧による成形が可能となり、しわの発生が抑制される。
【００３１】
以上から、本発明の実施の形態にかかるハイドロフォーム用鋼管１を用いてハイドロフォームを実施することにより、ハイドロフォーム用鋼管１の直径をＤ（ｍｍ）に対して、枝管２５の成形高さＨが２Ｄ（ｍｍ）以上となるような成形が可能となる。
【００３２】
また、強度の大きい鋼材１０と強度の小さい鋼材１１が管軸方向に連続して設けられていることにより、ハイドロフォームの加工条件も幅広く選択できるといった利点がある。即ち、例えば強度の大きい鋼材１０として引張強さＴｓ１０＝７８０ＭＰａ、肉厚ｔ１０＝１．６ｍｍの鋼材、強度の小さい鋼材１１として引張強さＴｓ１１＝４４０ＭＰａ、肉厚ｔ１１＝１．６ｍｍの鋼材を用い、ハイドロフォーム用鋼管１の直径Ｄ＝６３．５（ｍｍ）とした場合について説明すると、図１１に示すように、強度の小さい鋼材１１（引張強さＴｓ１１＝４４０ＭＰａ、肉厚ｔ１１＝１．６ｍｍ)のみからなる鋼管（直径Ｄ＝６３．５（ｍｍ）)をハイドロフォームする場合の軸押量と内圧の加工条件はグラフ線４０のようになる。また、強度の大きい鋼材１０（引張強さＴｓ１０＝７８０ＭＰａ、肉厚ｔ１０＝１．６ｍｍ)のみからなる鋼管（直径Ｄ＝６３．５（ｍｍ）)をハイドロフォームする場合の軸押量と内圧の加工条件はグラフ線４１のようになる。これに対して、強度の大きい鋼材１０と強度の小さい鋼材１１を管軸方向に連続するように配置させたハイドロフォーム用鋼管１（直径Ｄ＝６３．５（ｍｍ）)をハイドロフォームする場合の軸押量と内圧の加工条件は、グラフ線４０とグラフ線４１の間の範囲で割れおよびしわのない成形が可能となる。
【００３３】
また、強度の小さい鋼材１１（引張強さＴｓ１１＝４４０ＭＰａ、肉厚ｔ１１＝１．６ｍｍ)のみからなる鋼管（直径Ｄ＝６３．５（ｍｍ）)をハイドロフォームした場合は、図１２に示すように、成形可能な枝管２５の高さＨは１．５Ｄ（ｍｍ）程度である。また、強度の大きい鋼材１０（引張強さＴｓ１０＝７８０ＭＰａ、肉厚ｔ１０＝１．６ｍｍ)のみからなる鋼管（直径Ｄ＝６３．５（ｍｍ）)をハイドロフォームした場合は、成形可能な枝管２５の高さＨは１．０Ｄ（ｍｍ）程度である。これに対して、強度の大きい鋼材１０と強度の小さい鋼材１１を管軸方向に連続するように配置させたハイドロフォーム用鋼管１（直径Ｄ＝６３．５（ｍｍ）)をハイドロフォームした場合は、図１２に示すように、成形可能な枝管２５の高さＨは２．５Ｄ（ｍｍ）程度まで増加する。
【実施例】
【００３４】
引張強さＴｓ１０＝５９０〜１１８０ＭＰａ（ＪＩＳ  Ｇ  ３１５５の鋼材ＳＰＦＣ５９０Ｙ、ＳＰＦＣ７８０Ｙの２種類、及び引張強さ１１８０ＭＰａの計３種類）、肉厚ｔ１０＝１．２〜２．０ｍｍからなる強度の大きい鋼材１０と、引張強さＴｓ１１＝４４０ＭＰａ（ＪＩＳ  Ｇ  ３１５５の鋼材ＳＰＦＣ４４０）、肉厚ｔ１１＝１．６ｍｍからなる強度の小さい鋼材１１を用いて製造したハイドロフォーム用鋼管１（直径Ｄ＝６３．５（ｍｍ））についてハイドロフォームを実施した。なお、強度の大きい鋼材１０の幅Ｌ１０を３９〜６３ｍｍに変化させた。その結果、表１〜３に示すように、強度の大きい鋼材１０の幅Ｌ１０＝３９、４５、６３ｍｍ（表１）、肉厚ｔ１０＝１．２、１．６、２．０ｍｍ（表２）、引張強さＴｓ１０＝５９０、７８０、１１８０ＭＰａ（表３）のいずれの場合においても、枝管２５の高さＨを２．０Ｄ（ｍｍ）以上の高さに成形することができた。
【００３５】
【表１】
2008149357.tif 000003
【００３６】
【表２】
2008149357.tif 000004
【００３７】
【表３】
2008149357.tif 000005
【産業上の利用可能性】
【００３８】
本発明は、例えば自動車用のトラックフレーム、サスペンション部品、ロアアーム等の製造に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の実施の形態にかかるハイドロフォーム用鋼管の斜視図である。
【図２】ハイドロフォーム用鋼管の製造方法の一例を示す説明図である。
【図３】ハイドロフォーム用鋼管の製造方法の一例を示す説明図である。
【図４】ハイドロフォーム用鋼管の製造方法の別の例を示す説明図である。
【図５】ハイドロフォーム用鋼管の製造方法の別の例を示す説明図である。
【図６】強度の大きい鋼材の幅の説明図であり、（ａ）は幅が管軸方向に対して一定の場合、（ｂ）（ｃ）は幅が管軸方向に対して変化している場合を示している
【図７】本発明の実施の形態にかかるハイドロフォーム用鋼管を用いたハイドロフォーム方法の説明図であり、成形前の状態を示している。
【図８】本発明の実施の形態にかかるハイドロフォーム用鋼管を用いたハイドロフォーム方法の説明図であり、成形後の状態を示している。
【図９】成形された製品の正面図である。
【図１０】枝管の先端部分の拡大図である。
【図１１】ハイドロフォームの加工条件を示すグラフである。
【図１２】成形可能な枝管の高さを示すグラフである。
【符号の説明】
【００４０】
１  ハイドロフォーム用鋼管
１０  強度の大きい鋼材
１１  強度の小さい鋼材
１５  冷却液
１６  容器
２０  金型
２１  張り出し用の空洞部
２２  軸押し型
２５  枝管
２６  製品
３０  垂直部
３１  水平部
【図１】
2008149357.tif 000006
【図２】
2008149357.tif 000007
【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】
2008149357.tif 000012
【図８】
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【図９】
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【図１０】
2008149357.tif 000015
【図１１】
2008149357.tif 000016
【図１２】
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