(57)【要約】【課題】屈曲部の曲率半径をさらに小さくした場合であっても、管材の屈曲部に座屈や割れが発生することを抑制できるハイドロフォーミング用素材管及びその成形方法及び成形装置を提供する。【解決手段】直線状の管材Ｗをダイ４上に載置する（ａ）。そして、外側ポンチ８を上昇させることにより、所定の深さの凹部を成形する（ｄ）。続いて、外側ポンチ８を停止した状態で、内側ポンチ２を下降させることにより、より深い凹部を成形しながら、曲げ成形する（ｅ、ｆ）。さらに、外側ポンチ８を停止した状態で、内側ポンチ２を下降させることにより、最深の凹部を成形しながら、曲げ成形する（ｇ、ｈ）。続いて、外側ポンチ８と内側ポンチ２とを同時に下降させることにより、凹部の深さは維持された状態で、曲げ成形が行われる（ｉ、ｊ）。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
直線状の管材を曲げ成形して形成される屈曲部を有するハイドロフォーミング用素材管において、
前記屈曲部は、屈曲外側に前記管材の内部側へ凹ませた凹部が形成された管軸方向に垂直な断面形状からなることを特徴とするハイドロフォーミング用素材管。
【請求項２】
直線状の管材を曲げ成形して形成される屈曲部を有するハイドロフォーミング用素材管の成形方法において、
前記管材を曲げ成形し前記屈曲部を形成する曲げ成形工程と、
前記曲げ成形工程と同時に前記屈曲部の管軸方向に垂直な断面形状の屈曲外側に前記管材の内部側へ凹ませた凹部を成形する凹部成形工程と、
からなることを特徴とするハイドロフォーミング用素材管の成形方法。
【請求項３】
さらに、前記曲げ成形工程前に所定の深さの前記凹部を成形する曲げ前凹部成形工程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ミング用素材管の成形方法。
【請求項４】
直線状の管材を曲げ成形して形成された屈曲部を有するハイドロフォーミング用素材管の成形装置において、
所定の曲率形状に形成され前記屈曲部の屈曲内側面を成形する成形面を有する内側ポンチと、
前記内側ポンチの前記成形面に対向して配置され前記屈曲部の管軸方向に垂直な断面形状の屈曲外側に前記管材の内部側へ凹ませた凹部を成形する外側ポンチと、
前記外側ポンチの両端側に配置され前記管材の屈曲外側を支持するダイとを有し、
前記内側ポンチと前記ダイとを相対移動させて前記管材を曲げ成形すると同時に、前記内側ポンチと前記外側ポンチとを相対移動させて前記凹部を成形することを特徴とするハイドロフォーミング用素材管の成形装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ハイドロフォーミング用素材管及びその成形方法及び成形装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ハイドロフォーミングにより自動車のフレーム等が成形されている。ハイドロフォーミングとは、曲げ加工等が施されたハイドロフォーミング用素材管を金型に装着して、素材管内部に液圧を供給することにより、所定の形状の管を成形する方法である。
【０００３】
そして、従来、このハイドロフォーミング用素材管は、曲げ加工が施された部分であっても断面形状を円形としていた。すなわち、断面形状を円形に維持したまま曲げ成形が行われていた。断面形状が円形のハイドロフォーミング用素材管の成形は、例えば、特開２０００−２１０７２１号公報に開示されたパイプの曲げ加工装置等により行われる。
【０００４】
また、ハイドロフォーミング用素材管として、断面形状が円形ではなく、管の外周側から押圧して断面形状が偏平化したものが、特開２００１−２０５３５０号公報に開示されている。
【０００５】
【特許文献１】
特開２０００−２１０７２１号公報
【０００６】
【特許文献２】
特開２００１−２０５３５０号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、ハイドロフォーミング用素材管を成形する際、断面形状を円形として、例えば管材の屈曲部の曲率半径を小さくすると、管材の屈曲部の内側（屈曲内側）に座屈が発生し、管材の屈曲部の外側（屈曲外側）に割れが発生するおそれがある。このような座屈や割れは、管材の直径に対する屈曲部の曲率半径が小さいほど発生しやすく、また、管材の直径に対する管材の肉厚が小さいほど発生しやすい。従って、管材の直径や管材の肉厚によっては、屈曲部の曲率半径が小さい素材管を成形することは困難であった。
【０００８】
また、特開２００１−２０５３５０号公報に開示されているハイドロフォーミング用素材管は、予備成形を不要または軽減するために偏平化したものであるため、このようなハイドロフォーミング用素材管であっても管材の屈曲部に上述と同様の問題が生じる。
【０００９】
本発明は、このような事情に鑑みて為されたものであり、屈曲部の曲率半径をさらに小さくした場合であっても、管材の屈曲部に座屈や割れが発生することのないハイドロフォーミング用素材管及びその成形方法及び成形装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明のハイドロフォーミング用素材管は、直線状の管材を曲げ成形して形成される屈曲部を有するハイドロフォーミング用素材管において、前記屈曲部は、屈曲外側に前記管材の内部側へ凹ませた凹部が形成された管軸方向に垂直な断面形状からなることを特徴とする。
【００１１】
このように、屈曲部の管軸方向に垂直な断面形状の屈曲外側に凹部を形成したことにより、屈曲部に座屈や割れ等の発生を防止できる。これは、以下の理由による。まず、屈曲内側では、曲げ成形されることにより管軸方向に圧縮応力が発生すると共に、凹部の成形により周方向に引張応力が発生する。すなわち、屈曲内側の管軸方向に生じる圧縮ひずみを同一とした場合、管軸方向に発生する圧縮応力は小さくなる。このことは、凹部を形成しない場合に比べて、管軸方向に座屈の発生を防止することになる。また、屈曲外側では、凹部を形成しない場合に比べて、管軸方向に発生する引張ひずみを低減することができる。すなわち、屈曲外側に発生する割れを防止できる。
【００１２】
このように、屈曲部の曲率半径を小さくした場合であっても、座屈や割れの発生を防止できる。そして、屈曲部の曲率半径をより小さくすることができるため、ハイドロフォーミングにより成形される管形状の設計自由度が向上する。
【００１３】
また、管の肉厚を薄くした場合であっても、上記理由により座屈や割れの発生を防止できる。すなわち、管の軽量化を図ることができる。
【００１４】
なお、ハイドロフォーミング用素材管が凹部を有していたとしても、後工程のハイドロフォーミングにより所望の管形状に形成されるため、素材管の断面形状が円形でなく凹部を有していることは何ら問題ない。
【００１５】
また、凹部の深さは、屈曲部の位置に応じて異なるようにしてもよい。例えば、屈曲部の中心部分の凹部が最も深く形成され、その中心部分から離れるに従って凹部が浅く形成されるようにしてもよい。
【００１６】
また、本発明のハイドロフォーミング用素材管の成形方法は、曲げ成形工程と、凹部成形工程とからなる。ここで、ハイドロフォーミング用素材管は、直線状の管材を曲げ成形して形成される屈曲部を有する。そして、曲げ成形工程は、その管材を曲げ成形し屈曲部を形成する工程である。凹部成形工程は、曲げ成形工程と同時に、屈曲部の管軸方向に垂直な断面形状の屈曲外側に管材の内部側へ凹ませた凹部を成形する工程である。
【００１７】
凹部を成形しながら曲げ成形を行うことにより、従来のように断面形状を円形に維持したまま曲げ成形を行う場合に比べて、屈曲部の曲率半径を小さくした場合であっても、上記理由により屈曲内側の座屈や屈曲外側の割れの発生を防止できる。
【００１８】
さらに、上述のように成形された素材管に後工程のハイドロフォーミングを行う場合にも変形させやすくなる。つまり、断面形状を元の円形に戻す場合やさらに拡大して例えば長方形にする場合等にも、座屈や割れの発生を防止できる。これは、凹部の形成により、管に発生するひずみの変化方向が変化したことによる。従って、ハイドロフォーミングにより成形する最終管形状の設計自由度も向上することになる。
【００１９】
また、本発明のハイドロフォーミング用素材管の成形方法は、さらに、曲げ成形工程前に、所定の深さの凹部を成形する曲げ前凹部成形工程を有するようにしてもよい。例えば、曲げ前凹部成形工程により成形される凹部の深さは、最終的に成形される凹部の深さのほぼ半分等とすることができる。このように、曲げ成形する前に、所定の深さの凹部を成形することにより、屈曲部の曲率半径をより小さくした場合であっても、座屈や割れの発生を防止することができる。
【００２０】
また、本発明のハイドロフォーミング用素材管の成形装置は、内側ポンチと、外側ポンチと、ダイとを有する。ここで、内側ポンチは、所定の曲率形状に形成され、屈曲部の屈曲内側面を成形する成形面を有するポンチである。外側ポンチは、内側ポンチの成形面に対向して配置され、屈曲部の管軸方向に垂直な断面形状の屈曲外側に管材の内部側へ凹ませた凹部を成形するポンチである。ダイは、外側ポンチの両端側に配置され、管材の屈曲外側を支持するものである。そして、内側ポンチとダイとを相対移動させて管材を曲げ成形すると同時に、内側ポンチと外側ポンチとを相対移動させて凹部を成形することを特徴とする。
【００２１】
このような装置により、容易にかつ確実に、屈曲部の曲率半径のより小さなハイドロフォーミング用素材管を成形することができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
次に、実施形態を挙げ、本発明をより詳しく説明する。
（第１実施形態）
第１実施形態におけるハイドロフォーミング用素材管の成形装置を図１に示す。図１（ａ）は正面方向の断面図を示し、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ断面図を示す。なお、図１は、ハイドロフォーミング用素材管の成形完了の状態を示している。図１に示すように、成形装置１は、内側ポンチ２と、外側ポンチ３と、ダイ４と、内側ポンチ用シリンダ５とを備えている。
【００２３】
内側ポンチ２は、下面に素材管の屈曲部の屈曲内側面を所定の形状に成形する成形面２ａを有している。この成形面２ａの正面（Ｘ−Ｚ平面）方向の断面形状は、下側に所定の曲率の凸形状に形成されている。この凸形状に倣って管材を屈曲させる。また、成形面２ａの側面（Ｙ−Ｚ平面）方向の断面形状は、ほぼ円弧の凹形状に形成されている。この円弧の凹形状は、管の外周形状とほぼ一致した形状である。そして、内側ポンチ２の上部には、内側ポンチ用シリンダ５の軸部５ａの下端側が固定されている。内側ポンチ用シリンダ５は、上台６に固定されており、油圧により軸部５ａを上下（Ｚ軸）方向に移動可能としている。
【００２４】
外側ポンチ３は、内側ポンチ２の下方に、内側ポンチ２の成形面２ａに対向して下台７に固定されている。そして、この外側ポンチ３は、上面に素材管の屈曲部の屈曲外側を凹ませた凹部を成形するための成形面３ａを有している。この成形面３ａは、正面（Ｘ−Ｚ平面）方向の断面形状は、ほぼＸ軸に平行な直線状に形成されている。この外側ポンチ３の正面（Ｘ−Ｚ平面）方向の幅は、内側ポンチ２の正面（Ｘ−Ｚ平面）方向の幅より僅かに大きく形成されている。また、外側ポンチ３の成形面３ａの側面（Ｙ−Ｚ平面）方向の断面形状は、ほぼ円弧の凸形状に形成されている。この円弧の凸形状の直径は、管Ｗの直径より小さく形成されている。
【００２５】
そして、ダイ４は、外側ポンチ３のＸ軸方向の両端側であって、ダイ４の上側面４ａが外側ポンチ３の成形面３ａとほぼ同じ高さとなる位置に２箇所配設されている。また、それぞれのダイ４は、管を屈曲する方向、すなわちＹ軸まわりに回動自在に取付けられている。そして、このダイ４の上側面４ａは、ほぼ円弧の凹形状に形成されている。この円弧の凹形状は、管の外周形状とほぼ一致した形状である。
【００２６】
次に、上述のような構成からなる成形装置により直線状の管材を曲げ成形してハイドロフォーミング用素材管を成形する方法について図２を参照して説明する。図２（ａ）（ｃ）（ｅ）（ｇ）は、正面（Ｘ−Ｚ平面）方向の断面図である。図２（ｂ）（ｄ）（ｆ）（ｈ）は、側面（Ｙ−Ｚ平面）方向の断面図である。
【００２７】
まず、図２（ａ）（ｂ）に示すように、アルミニウム製の直線状の管材Ｗをダイ４の上側面４ａの上に載置する。この場合、管材Ｗは、外側ポンチ３の成形面３ａに接触している。そして、内側ポンチ用シリンダ５内の上方側に所定の油圧Ｐ１をかける。これにより、内側ポンチ用シリンダ５が駆動し、内側ポンチ２の成形面２ａが管材に接触する位置まで内側ポンチ２が下降する。
【００２８】
続いて、内側ポンチ用シリンダ５内の上方側にかける油圧をＰ１からＰ２まで上昇させる。これにより、図２（ｃ）（ｄ）に示すように、内側ポンチ用シリンダ５が駆動して内側ポンチ２が下降する。その結果、管材Ｗのうち内側ポンチ２に接触している部分、すなわち屈曲部の屈曲内側が内側ポンチ２の成形面２ａに倣って屈曲し始める。そして、管材Ｗの両端側が傾斜するのに伴って、ダイ４はそれぞれ回転して管材Ｗを確実に支持する。これに伴って、管材Ｗの屈曲部全体が屈曲し始める（曲げ成形工程）。さらに、管材Ｗのうち外側ポンチ３に接触している部分、すなわち屈曲部の屈曲外側は、外側ポンチ３の成形面３ａに倣って徐々に凹み、凹部が成形される（凹部成形工程）。
【００２９】
続いて、内側ポンチ用シリンダ５内の上方側にかける油圧をＰ２からＰ３まで上昇させる。これにより、図２（ｅ）（ｆ）に示すように、内側ポンチ２はさらに下降する。すなわち、管材Ｗはさらに屈曲し、ダイ４はさらに回転する。そして、管材Ｗの屈曲部の屈曲外側は、図２（ｆ）に示すように、より深い凹部が成形される。
【００３０】
続いて、内側ポンチ用シリンダ５内の上方側にかける油圧をＰ３からＰ４まで上昇させる。これにより、内側ポンチ２はさらに下降する。このようにして曲げ成形が完了した状態を、図２（ｇ）（ｈ）に示す。すなわち、管材Ｗの屈曲部の屈曲内側は、図２（ｇ）に示すように、内側ポンチ２の成形面２ａに倣って成形されている。また、管材Ｗの屈曲部の屈曲外側は、図２（ｈ）に示すように、凹部が成形されている。この凹部は、外側ポンチ３の成形面３ａに倣って成形されている。このようにして、直線状の管材Ｗからハイドロフォーミング用素材管を成形することができる。
【００３１】
上述のように、ハイドロフォーミング用素材管の屈曲部の屈曲外側に凹部を形成することにより、屈曲部の曲率半径をさらに小さくした場合であっても、屈曲部の屈曲内側では座屈の発生を防止することができ、屈曲部の屈曲外側では割れの発生を防止することができる。
【００３２】
（第２実施形態）
次に、第２実施形態におけるハイドロフォーミング用素材管の成形装置を図３に示す。図３（ａ）は正面方向の断面図を示し、図３（ｂ）は図３（ａ）のＡ−Ａ断面図を示す。なお、図１に示す第１実施形態における成形装置と同一の構成は同一符号を付し、説明を省略する。図３に示すように、成形装置１１は、内側ポンチ２と、外側ポンチ８と、ダイ４と、内側ポンチ用シリンダ５と、外側ポンチ用シリンダ９とを備えている。
【００３３】
外側ポンチ８は、内側ポンチ２の下方に、内側ポンチ２の成形面２ａに対向した位置に配設されている。そして、この外側ポンチ８は、上面に素材管の屈曲部の屈曲外側を凹ませた凹部を成形するための成形面８ａを有している。この成形面８ａは、正面（Ｘ−Ｚ平面）方向の断面形状は、ほぼＸ軸に平行な直線状に形成されている。この外側ポンチ８の正面（Ｘ−Ｚ平面）方向の幅は、内側ポンチ２の正面（Ｘ−Ｚ平面）方向の幅より僅かに大きく形成されている。また、外側ポンチ８の成形面８ａの側面（Ｙ−Ｚ平面）方向の断面形状は、ほぼ円弧の凸形状に形成されている。この円弧の凸形状の直径は、管Ｗの直径より小さく形成されている。この外側ポンチ８は、下台７に固定された外側ポンチ用シリンダ９に上下（Ｚ軸）方向に移動可能に支持されている。外側ポンチ用シリンダ９は、油圧により駆動する。
【００３４】
そして、ダイ４は、外側ポンチ３のＸ軸方向の両端側であって、ダイ４の上側面４ａが最下端に位置する場合の外側ポンチ３の成形面３ａとほぼ同じ高さとなる位置に２箇所配設されている。また、それぞれのダイ４は、管を屈曲する方向、すなわちＹ軸まわりに回動自在に取付けられている。そして、このダイ４の上側面４ａは、ほぼ円弧の凹形状に形成されている。この円弧の凹形状は、管の外周形状とほぼ一致した形状である。
【００３５】
次に、上述のような構成からなる成形装置により、直線状の管材Ｗを曲げ成形してハイドロフォーミング用素材管を成形する方法について図４を参照して説明する。図４（ａ）（ｃ）（ｅ）（ｇ）（ｉ）は、正面（Ｘ−Ｚ平面）方向の断面図である。図４（ｂ）（ｄ）（ｆ）（ｈ）（ｊ）は、側面（Ｙ−Ｚ平面）方向の断面図である。
【００３６】
まず、図４（ａ）（ｂ）に示すように、外側ポンチ用シリンダ９を駆動させて、外側ポンチ８を最下端に位置させる。そして、アルミニウム製の直線状の管材Ｗをダイ４の上側面４ａの上に載置する。この場合、管材Ｗは、外側ポンチ８の成形面８ａに接触している。そして、内側ポンチ用シリンダ５内の上方側に所定の油圧Ｐ１１をかける。これにより、内側ポンチ用シリンダ５が駆動して内側ポンチ２の成形面２ａが管材に接触する位置まで内側ポンチ２が下降する。
【００３７】
続いて、外側ポンチ用シリンダ９内の下方側へ所定の油圧Ｐ２１をかける。これにより、図４（ｃ）（ｄ）に示すように、外側ポンチ用シリンダ９が駆動して外側ポンチ８が上昇する。その後、図４（ｃ）（ｄ）に示す位置にて、外側ポンチ８は停止する。その結果、管材Ｗのうち外側ポンチ８に接触している部分、すなわち屈曲部の屈曲外側は、外側ポンチ８の成形面８ａに倣って徐々に凹み始め、所定の深さの凹部が成形される（曲げ前凹部成形工程）。例えば、ここで成形される凹部の所定の深さは、図４（ｃ）（ｄ）に示すように最終的に成形される凹部（図４（ｊ）参照）の深さに対して約４分の１としている。なお、この工程にて成形される凹部の深さは、外側ポンチ用シリンダ９内の下方側にかける油圧Ｐ１１を変化させることにより変化させることができる。例えば、最終的に成形される凹部の約半分とすることもできる。
【００３８】
続いて、外側ポンチ用シリンダ９の下方側からの油圧Ｐ２１は維持した状態で、内側ポンチ用シリンダ５内の上方側にかける油圧をＰ１１からＰ１２まで上昇させる。これにより、図４（ｅ）（ｆ）に示すように、内側ポンチ用シリンダ５が駆動して内側ポンチ２が下降する。なお、内側ポンチ用シリンダ５にかけられる油圧Ｐ１２は、外側ポンチ用シリンダ９にかけられている油圧Ｐ２１より小さい。その結果、管材Ｗのうち内側ポンチ２に接触している部分、すなわち屈曲部の屈曲内側は、内側ポンチ２の成形面２ａに倣って屈曲し始める。そして、管材Ｗの両端側が傾斜するのに伴って、ダイ４はそれぞれ回転して管材Ｗを確実に支持する。これに伴って、管材Ｗの屈曲部全体が屈曲し始める（曲げ成形工程）。さらに、外側ポンチ８は停止した状態が維持され、管材Ｗのうち外側ポンチ８に接触している部分、すなわち屈曲部の屈曲外側は、外側ポンチ３の成形面３ａに倣ってさらに凹み、より深い凹部を成形する（凹部成形工程）。
【００３９】
続いて、外側ポンチ用シリンダ９内の下方側からの油圧Ｐ２１は維持した状態で、内側ポンチ用シリンダ５内の上方側にかける油圧をＰ１２からＰ１３まで上昇させる。なお、内側ポンチ用シリンダ５にかけられる油圧Ｐ１３は、外側ポンチ用シリンダ９にかけられている油圧Ｐ２１とほぼ同一である。この場合、外側ポンチ８は停止した状態を維持したまま、内側ポンチ２がさらに下降する。この状態を図４（ｇ）（ｈ）に示す。すなわち、管材Ｗはさらに屈曲し、ダイ４はさらに回転する。そして、管材Ｗの屈曲部の屈曲外側は、図４（ｈ）に示すように、より深い凹部が成形される。この凹部は、外側ポンチ８の成形面８ａに倣って成形されている。
【００４０】
続いて、外側ポンチ用シリンダ９内の下方側からの油圧Ｐ２１は維持した状態で、内側ポンチ用シリンダ５内の上方側にかける油圧をＰ１３からＰ１４まで上昇させる。ここで、内側ポンチ用シリンダ５にかけられている油圧Ｐ１４は、外側ポンチ用シリンダ９にかけられている油圧Ｐ２１より大きくなる。これにより、内側ポンチ２と同時に外側ポンチ８が下降する。すなわち、内側ポンチ２と外側ポンチとの相対位置は変化しない。このようにして曲げ成形が完了した状態を図４（ｉ）（ｊ）に示す。すなわち、管材Ｗの屈曲部の屈曲内側は、図４（ｉ）に示すように、内側ポンチ２の成形面２ａに倣って成形されている。このようにして、直線状の管材Ｗからハイドロフォーミング用素材管を成形することができる。
【００４１】
上述のように、ハイドロフォーミング用素材管の屈曲部の屈曲外側に凹部を形成することにより、屈曲部の曲率半径をさらに小さくした場合であっても、屈曲部の屈曲内側では座屈の発生を防止することができ、屈曲部の屈曲外側では割れの発生を防止することができる。さらに、第１実施形態における成形方法により成形する場合に比べると、第２実施形態における成形方法により成形する場合は、屈曲部の屈曲内側での座屈の発生をより防止でき、屈曲部の屈曲外側での割れの発生をより防止することができる。
【００４２】
（他の実施形態）
なお、外側ポンチ３、８の成形面３ａ、８ａは、正面（Ｘ−Ｚ平面）方向の断面形状は、ほぼＸ軸に平行な直線状に形成されているが、曲線状に形成してもよい。
【００４３】
また、上述の実施形態では、内側ポンチ２を上下移動させることにより素材管を成形したが、これに限られるものではない。例えば、特開２０００−２１０７２１号公報に開示された曲げ成形方法を用いてもよいし、特開２００１−２０５３５０号公報に開示された曲げ成形方法を用いてもよい。
【００４４】
【発明の効果】
本発明のハイドロフォーミング用素材管の成形方法及び成形装置によれば、屈曲部の曲率半径をさらに小さくした場合であっても、管材の屈曲部に座屈や割れが発生することを抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態におけるハイドロフォーミング用素材管の成形装置を示す図である。
【図２】第１実施形態におけるハイドロフォーミング用素材管の成形方法を示す図である。
【図３】第２実施形態におけるハイドロフォーミング用素材管の成形装置を示す図である。
【図４】第２実施形態におけるハイドロフォーミング用素材管の成形方法を示す図である。
【符号の説明】
２　・・・　内側ポンチ
３、８　・・・　外側ポンチ
４　・・・　ダイ
５　・・・　内側ポンチ用シリンダ
６　・・・　上台
７　・・・　下台
９　・・・　外側ポンチ用シリンダ
【図１】
2004106025.tif 000003
【図２】
2004106025.tif 000004
【図３】
2004106025.tif 000005
【図４】
2004106025.tif 000006