(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
外側周辺部を有するチューブ状被加工素材の成形方法であって、前記方法は、
前記被加工素材の内部に液圧を付与することと、
前記液圧を付与された被加工素材をダイ内部に包囲することであって、前記ダイは、少なくともその一部分が、前記被加工素材の前記外側周辺部の対応する部分を完全に包囲し、前記被加工素材の前記対応する部分の前記外側周辺部よりも小さい内側周辺部を有するダイキャビティを有している、前記液圧を付与された被加工素材をダイ内部に包囲することと、
それによって、前記被加工素材の前記対応する部分に圧縮成形を施し、その外側周辺部を縮減し、前記ダイを開き、前記圧縮成形された被加工素材を前記ダイから取り出すこと、
からなる外側周辺部を有するチューブ状被加工素材の成形方法。
【請求項２】
前記内側周辺部は、前記外側周辺部よりも約0.1％〜約10％小さい請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記内側周辺部は、前記外側周辺部よりも最大約5％小さい請求項２記載の方法。
【請求項４】
前記内側周辺部は、前記外側周辺部よりも最大約3％小さい請求項２記載の方法。
【請求項５】
前記内側周辺部は、前記外側周辺部よりも約0.1％〜約1％小さい請求項２記載の方法。
【請求項６】
前記ダイキャビティは、前記被加工素材の長手方向軸を横断する断面において少なくとも１つのコーナー部を有し、前記成形された被加工素材は、それによって１つのコーナー部を備える請求項１記載の方法。
【請求項７】
前記被加工素材は1つの壁厚を有し、前記コーナー部は、１つの曲率半径を有し、前記曲率半径は、前記壁厚の約2.5〜約0.5倍である請求項６記載の方法。
【請求項８】
前記曲率半径は、前記壁厚の約2.0倍よりも小さい請求項７記載の方法。
【請求項９】
前記曲率半径は、前記壁厚の約1.7倍よりも小さい請求項７記載の方法。
【請求項１０】
前記曲率半径は、前記壁厚の約1.5倍よりも小さい請求項９記載の方法。
【請求項１１】
前記被加工素材が前記ダイキャビティ内において内部的に加圧される間に、少なくとも１つの打ち抜き部材を側壁を貫通して通過させることによって、前記被加工素材の前記側壁を貫通する少なくとも１つの孔を形成するステップを含む請求項１記載の方法。
【請求項１２】
前記打ち抜き部材は、圧縮成形される前記被加工素材の断面の幅の約15％よりも大きい幅の寸法を有する請求項１１記載の方法。
【請求項１３】
前記幅は、前記断面の幅の25％よりも大きい請求項１２記載の方法。
【請求項１４】
前記幅は、前記断面の幅の約50％よりも大きい請求項１２記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
この発明は、チューブ状被加工素材にハイドロフォーミングを施す方法に関する。現在では、ハイドロフォーミングは道路上の乗り物のフレームのコンポーネントの製造用に大規模に用いられる。ハイドロフォーミングプロセスは、例えば、宇宙産業や家具の製造のような、非常に精密な寸法に形成されるチューブ状製品や強度と重量の加工特性が望まれる場合に、他の製造分野および工業的なプロセスに応用される。
【０００２】
ハイドロフォーミングの工程においては、チューブ状の被加工素材は、プレス中にダイスによって形成されるダイキャビティ内に閉じ込められ、被加工素材は、通常は液体、例えば水によって内部で圧縮される。例えば、この加圧力は、ハイドロフォームが施されるパーツに応じて、約28〜250MPaである。この内部加圧は、チューブ状被加工素材のダイキャビティの内部形状追従を発生する。有利なことには、このチューブ状被加工素材は、ダイを同時に閉じて被加工素材をダイキャビティ内に完全に閉じ込める前に、パートに応じて、典型的には、約3〜20MPaに予備加圧される。この予備加圧によって、被加工素材は、ダイセクションが一緒に閉じられるときに発生するブランクの食い切りを生じることなく、チューブ状被加工素材の外側寸法に較べて過度に大きくはないダイキャビティ内に閉じ込められることを可能にする。1992年7月14日、同人(Cudini)に譲渡されたUS特許Re．33990は、例えば、被加工素材をダイキャビティの形状に合わせて形成する結果が、被加工素材のゼロ膨張、或いは、約5%より小さい膨張率となるように、その周囲の大きさが、チューブ状被加工素材と同じであるか、これよりも僅かに大きいキャビティ内におけるハイドロフォーミングを開示する。チューブ状被加工素材を0から5%に膨張させるこの手順は高い膨張率が採用されるプロセスにおいては大きな利点を有する。例えば、成形ダイ中において加圧されつつある間に、ハイドロフォーミングが施される被加工素材の側壁に孔を打ち抜くことが容易に行われる。更に、寸法安定性、すなわち、パーツ毎の寸法の反復再現性が改善され、壁の厚さに対する断面の曲率半径を備えるシャープなコーナー部を有する製品が可能である。更にまた、製品の降伏強度も或る程度まで改良される。
【０００３】
しかしながら、知られた方法をもってしては、孔を打ち抜く段階における加圧液の漏洩という問題は、特に、大きな幅を備える孔を形成するときは、依然として発生する、更に、寸法安定性、降伏強度および創り出すことができるコーナー部の断面の鋭さは、望ましいと考えられるほどには大きくない。
【０００４】
この発明は、被加工素材の外周よりも小さい内周を備えるダイキャビティを有するダイ内において被加工素材を加圧してダイを閉じる前に、被加工素材の内部に液圧を付与し、それによって、被加工素材が圧縮成形を受けるチューブ状被加工素材の成形方法を提供する。このダイは次いで開かれ圧縮成形された被加工素材が取り出される。
【０００５】
この方法においては、キャビティをチューブ状被加工素材よりも小さくし、比較素材の圧縮成形を有効に行うことによって、チューブ壁の素材は、被加工素材の壁を穿孔する段階において打ち抜きに抗して押圧され、このことによって、ダイ内に閉じ込められる間に、被加工素材に大きな幅の複数の孔が打ち抜かれるときに発生する加圧液の漏洩の問題を回避する。更に、被加工素材のチューブ状壁に付与される圧縮力が、極めて大きい寸法的安定性を創造して、改善された降伏強度を提供するとともに、極めて鋭い断面コーナー部の成形を可能にする。チューブ状壁の素材に作用する圧縮力は、チューブ状壁の素材を、通常は流れようとしない非常に鋭いコーナー部のエリアへと押圧する。
【０００６】
この発明の好ましい具体例を添付図面を参照しつつ説明する。
【０００７】
添付図面を参照すると、図１は、それぞれに、ダイキャビティ１３、１４を備える上部ダイ１１と下部ダイ１２と、それぞれに、合わせ面１６、１７の一部を示す断面図である。図２に見られるように、上部と下部のダイセクション１１、１２の閉じた位置においては、合わせ面の部分１６、１７が合わさり、その一方でキャビティ部１３、１４が閉じたダイキャビティ１８を形成する。
【０００８】
このハイドロフォーミング方法の好ましい形態においては、最初は、例えば、円形または楕円形断面をなすチューブ状被加工素材１９が、ダイセクション１１と１２が開いた状態にあり、合わせ面１６、１７が、被加工素材１９をダイセクション１１と１２の間に導入することができるように充分に離間している間に、ダイセクション１１と１２の間に載置される。ダイセクション１１、１２は、ダイキャビティ１３、１４の内側面が被加工素材１９を軽くグリップする一部が閉じた位置に移動されることが好ましい。被加工素材の対向する両端部は、次に、チューブ状被加工素材１９の内部を充填するために、それを介して通常は水である加圧液２１が導入されるシール装置と係合される。被加工素材内部の液体は、シール後に、ダイセクション１１と１２が一緒に閉じられたときチューブ状被加工素材１９の望ましくない変形を避ける所望の圧力にまで加圧されることが好ましい。そのような望ましくない変形は、例えば、被加工素材１９の壁の皺の形成や、コルゲート化であり、これは内部の加圧や、ダイセクション１１と１２が、同時に閉じられたとき、ダイセクション１１と１２の合わせ面１６、１７の間における被加工素材１９の側部壁の一部の内部の加圧や食い切りに付随して取り除くことはできない。
【０００９】
ダイセクション１１と１２は同時に閉じられるので、合わせ面部１６と１７は、図２に示すように合致し、チューブ状被加工素材１９は図２に示すように、閉じられたダイキャビティ１８内に閉じ込められる。通常は、チューブ状被加工素材１９内の圧力が次いで増大され、壁が受ける歪が素材の降伏強度よりも大きいか小さくなるように維持される。要求される圧力は、チューブ状被加工素材１９の壁をダイキャビティ１８の内部に強制的に追従させるために必要な圧力である。
【００１０】
チューブ状被加工素材が、一旦所望の断面に成形されると、チューブの壁を貫通して複数個の孔が打ち抜かれる。次に内部圧力が緩和され、チューブにドレーンが施されて、ダイセクション１１と１２が開かれ、成形されたチューブ状被加工素材１９がダイから離型される。
【００１１】
新たなチューブ状被加工素材が次に開いたダイセクションの間に載置されて上記の作業サイクルが反復される。
【００１２】
ハイドロフォーミングのプロセスを上に説明したように成功裡に行うために必要な技術、手順、圧力および装置は、当業者にはよく知られており、ここでは詳細には述べない。予備圧縮、チューブ端部のシール、孔の形成、および、ハイドロフォーミングプロセスのその他の段階に使用される技術、手順、圧力および装置の諸例は、前記のUS特許Re第33990号を含む通常通りに譲渡された多数のUS特許、すなわち、1991年2月5日付けUS特許第4,989,482号(Mason)、1993年8月17日付けUS特許第5,235,836号(Klages等)、1997年7月8日付けUS特許第5,644,829号(Mason等)、1995年8月２９日付けUS特許第5,445,002号(Cudini等)およびMorphy等の名において1999年2月16日に出願されたUS特許出願第09/249,764号および199年7月28日Klages等の名において出願されたUS特許出願第09/361,998号に記載される。これらの特許お出願のすべての開示は、参照によって本件の説明中に組み込まれる。
【００１３】
この発明においては、前記のハイドロフォーミング技術が、ダイキャビティ１８の周辺部が、チューブ状被加工素材１９の外側周辺部よりも小さくなるように変形されるので、ダイセクション１１、１２が同時に閉じられると、チューブ状被加工素材１９の壁の素材が圧縮を受ける。この発明のいくつかの形態においては、それらの好ましい形態において、その全長に沿って圧縮を受けることができることが考えられるが、ダイキャビティ１８の周辺部は、被加工素材１９の長さの一部分または複数の部分に沿う被加工素材１９の長さよりも小さい。そのような一部分または複数の部分は、例えば、その断面形状が長さに沿って変化してもよく、また、断面形状が一様であっても差し支えない。この部分は、例えば、1個または複数個の孔がチューブ壁を貫通して形成されることができる部分であっても、或いは、断面形状に見られるように、外側または内側のコーナー部が、密接に近い曲率半径を備えることが好ましい。更に、そのような部分は、役割上異常に高い歪みを受ける製品の一部分であるか、或いはまた、連続して成形される製品同士の間に、例外的に良好な寸法安定性を具備することが望まれる場合の部分である。そのような一部分または複数の部分は、例えば、全体として、チューブ状製品の長さの約１〜５０％、より好ましくは約５〜４０％、更により好ましくは、５〜２０％を占めることができる。
【００１４】
前記の手順は、多くの利点を提供する。例えば、ダイキャビティ１８の周辺部が、当初のチューブ状被加工素材１９の周辺部よりもゼロ〜約５％大きい知られた手順においては、シャープなコーナー部を備える被加工素材１９を成形することは困難である。この発明にしたがって行われる圧縮成形が存在しない、多少とも拡大されたスケールにおける図３に示すコーナーエリアにおいては、ダイキャビティ１８内部において成形されることができる最もシャープなコーナー部は、その曲率半径Ｒが、少なくとも約1.8Tである。ここに、Tは、チューブ状被加工素材１９の壁の厚さである。チューブ状被加工素材１９の内部に付与された圧力には関係なく、チューブ状壁１９の素材は、コーナー部の両側においてダイキャビティ１８と係合し、シャープな半径を備えるコーナー部を得ることは達成されない。壁１９が圧縮成形されるこの発明にあっては、有意にシャープなコーナー部、例えば、約2.5〜0.5T、より好ましくは約2.0T以下、更により好ましくは約1.7T以下、最も好ましくは1.5T以下の範囲のシャープなコーナー部が達成される。コーナー部が鋭ければ鋭いほど、完成したパーツの剛性が高まり、完成したパーツの設計における選択の自由度を拡大することができ、特別な応用に合致するように仕立てることが可能になる。
【００１５】
更に、高度に改善された寸法安定性が達成されて、すなわち、同一のダイ内において連続してハイドロフォーミングが施されて製造されたパーツは、類似するか、または、同一の寸法を備える傾向があり、そして、完成したパーツの降伏強度は、圧縮成形されない同様なパーツと比較して増大されることができる。
【００１６】
この発明の圧縮成形方法の別の利点は、チューブ状被加工素材１９の壁、少なくとも、圧縮成形される被加工素材の一部においてこれを貫く複数個の孔の形成を適切に行うことである。望ましくは、被加工素材が閉じられたダイキャビティ内において、例えば図５におけるように、内部が加圧される間に、被加工素材の側壁を貫いて複数個の孔が形成されることである。通常は、打ち抜き部材２２がダイセクション１１、１２の構造体内に組み込まれる。この打ち抜き部材は、ダイキャビティ１８と連通するとともに、通常は、長手方向のチューブ軸を横断する方向に配置されるボアすなわち通路２３を備える。これらの打ち抜き部材は、打ち抜き駆動手段、例えば、ダイセクション１１、１２にマウントされるか、これに隣接して配置された圧力シリンダーとピストン構造体２４の制御の下に、これらのボア内を往復運動するので、例えば、図５に見られる打ち抜き部材２２は、
ダイキャビティ１８内に延出して、チューブ状被加工素材１９の側壁を刺し通して、そこからスラグ２６を切り取って、このチューブ状被加工素材１９の側壁に開口部２７を創り出すべく進出することができる。チューブ状被加工素材に開口部を打ち抜くために用いられる方法と装置は、それ自体が当業者には周知のものなのでここでは詳細に説明することはしない。装置と打ち抜きの手順は、例えば、上記のUS特許第4,989,482号およびUS特許出願第09/361,764号に記載されている。
【００１７】
自動車または他のフレームにおける完成したチューブ状パーツに関連して採用されるコンポーネントを収容するために、チューブ状被加工素材１９の壁内に比較的幅の広い開口部を設けること、したがって、開口部を形成するために比較的幅の広い打ち抜き部材を使用することが頻繁に望まれる。打ち抜き部材が例えば比較的幅が広い場合は、完成したパーツの断面の幅が相当なパーセンテージに達するので、打ち抜きによって形成された孔がパーツを弱くする。したがって、このパーツは、内圧がかかった状態の下で変形したり、膨張したりする結果、孔の境界部と打ち抜き部材の側部との間の接触が失われる。この結果として、被加工素材１９の内部から液体の漏洩が起こり、被加工素材内部にに減圧が生じる。減圧というこれらの問題は、打ち抜き部材の幅、したがって、それによって形成される孔の幅が、打ち抜かれた孔をその横断方向に測定した、完成パーツの断面の幅の約１５％よりも大きい場合に大規模な程度に遭遇する傾向があ、そして、この幅が前記断面の幅の約２５％より大きい場合、特に、約５０％よりも大きい場合は、更になお深刻である。この幅は例えば、前記の断面の幅の約９５％にまで達することができ、より普通には、前記断面の幅の約９０％より大きくはない。チューブ状被加工素材１９の内部における加圧の損失は被加工素材１９の加工の困難性に到る。例えば、通常は、成功する打ち抜きは、チューブ状パーツ内部に維持される加圧力に依存する。一つのダイは、しばしば、複数の打ち抜き部材を備えるものである。その理由は、ハイドロフォーミングが施された各パーツ内に多数の孔を形成することが望まれるからである。様々な理由で、打ち抜き部材は通常同時に正確には作動しない。例えば、打ち抜き部材を駆動するシリンダーは、サイズを異にしており、作動圧力パルスを圧力発生器から様々なシリンダーに移送する導管の長さに不一致が存在する。もしも、一つの打ち抜き部材の作動に加圧力の損失が生じる結果になれば、後からパーツに向かって延出する打ち抜き部材は不正確な打ち抜きを達成するに過ぎないか、打ち抜きに完全に失敗する可能性がある。何故ならば、パーツ内には最早液圧が存在せず、被加工素材の壁を外側に向かって押圧した状態を維持することができないからであり、外側に向かって押圧された壁を打ち抜いて切り取ることができないからである。圧縮成形区域において、被加工素材１９の側壁が、圧縮成形されるこの発明にあっては、たとえ、上に言及したような比較的幅の寸法が大きい打ち抜き部材が採用される場合であっても、加圧力の漏洩と損失が有意に減少するか、ともに排除される。圧縮成形はチューブ壁の素材を、被加工素材の壁を刺し貫く間中、打ち抜き部材の側に向かって押圧する傾向がある点が見出されており、チューブ内の加圧力を維持するための加圧液の供給が、加圧力の有意でない損失しか生じないように補充することができる程度に漏洩を排除するか、減少させることができる。
【００１８】
この方法を実行する好ましい形態において、被加工素材の寸法が製造者の許容誤差に左右される場合には、出発素材の製造者の許容誤差に注意が払われるべきである。言い換えれば、キャビティ１８の内側の周辺部は、出発素材ブランク１９の実際の外側周辺部が呼称上のものよりも小さく、製造者の最小の許容誤差の水準にある場合であっても、所望の圧縮が達成されるように、その大きさが決定されるべきである。しかしながら、通常は、これらの許容誤差は比較的小さい。現明細書および添付の請求項においては、被加工素材の「外側周辺部」というタームは、その被加工素材の外側周辺部が最小の製造者の許容誤差に考慮すること、すなわち、製造者の許容誤差によって規定されるサイズの範囲内に存在する最小のサイズであることを意味する。疑いを避けるために具体例を挙げれば、製造者は、直径が2.000インチ(50.8mm)±(プラスまたはマイナス)5/1000インチ(0.127mm)である実質的に完全な円形断面のチューブを提供する。最大の直径は、2.005(50.927mm)で、最小直径は、1.995(50.675mm)インチである。ギリシャ記号piの数値で乗算を行うことによって、最大周辺部は6.300インチ(160.0mm)最小周辺部は、6.268インチ(159.2mm)と計算される。そのような場合は、この被加工素材の「外側周辺部」は6.268インチ(159.2mm)、ダイキャビティ１８の内側周辺部は、6.268インチ(159.2mm)よりも小さくされる。
【００１９】
知られた手順においては、ダイキャビティは、製造者の最大の許容誤差を考慮した被加工素材と少なくとも同じ周辺部を備えている点に注目することができる。
【００２０】
この発明の方法においては、ダイキャビティ１８が被加工素材の外側周辺部よりも少なくとも約0.1％小さい内側周辺部を備えることが好ましい(他に指示されている場合を除くすべてのパーセンテージは被加工素材の外側周辺部に基づく）。もしも、ダイキャビティの内側周辺部と被加工素材の外側周辺部との間の公差が約0.1％よりも小さいならば、チューブ状被加工素材に付与される圧縮力が不充分なので、被加工素材にシャープな曲率半径を有するコーナー部を設けること、または、被加工素材に孔が打ち抜かれるとき、被加工素材の内部からの液体の漏洩を有意に減少したり、これを防ぐことが困難であるか不可能であり、寸法安定性の所望水準、または、増大された降伏強度の所望の水準が達成されないことがわかる。ダイキャビティの内側周辺部は、被加工素材の外側周辺部よりも約10％以上小さくはないことが好ましい。被加工素材の外側周辺部よりも10％以上小さいダイキャビティを用いることは、卓越した結果を達成するようには見えず、被加工素材を圧潰するとともに、チューブの中心線に平行な皺をその内部に生じる傾向がある。
【００２１】
ダイキャビティ１８の内側周辺部は、最大約5％小さいことがより好ましく、被加工素材の外側周辺部よりも最大約3％小さいことが更により好ましく、被加工素材の外側周辺部よりも約0.1％〜約1％小さいことが最も好ましい。
【００２２】
圧縮とダイの閉鎖を達成するためには、通常プレス機に採用される閉鎖力よりもやや大きいプレス閉鎖力が、プレス機を有効に閉鎖するために必要である。要求される力は、単純な試行と実験によって容易に決定することができる。
【００２３】
添付図面を参照しつつ行った上記の詳細な説明は、通常の当業者の一人が、この方法を実行することを可能にする単純な情報を提供するが、疑いを回避するために1つの詳細な実施例を用意する。
【００２４】
実施例
1.5mmの呼称壁厚と50.8mmの呼称直径を備える１つのHSLA  345  MPAスチールチューブ(製造者の許容誤差プラスまたはマイナス0.006インチ(0.15mm))が、図１、２および４に関連して上に詳細に説明した態様で圧縮ハイドロフォーミングを受けた。
【００２５】
ハイドロフォーミングの工程においてこのチューブは７MPAの内圧に加圧された。
【００２６】
ダイキャビティ１８の内側周辺部は、158.0mm(被加工素材の外側周辺部よりも0.7％小さい)である。ダイの閉鎖後、内圧は42MPAに増大された。
【００２７】
ダイキャビティ１８は、シャープなコーナー部を含んでおり、被加工素材は、3mm(2T、この場合Tは、被加工素材の壁厚)の半径を有するシャープなコーナー部を備えていた。
【図面の簡単な説明】
【図１】  一部が閉じられている両ダイセクションの間に位置する加圧されたチューブ状コンポーネントを示す多少とも概略的な断面図。
【図２】  完全に閉じられたダイ内部においてハイドロフォーミングを受けるパーツを示す。
【図３】  従来技術の方法によって成形されるチューブ状被加工素材のコーナー部を示す断面図の一部。
【図４】  この発明の方法によって成形された鋭いコーナー部を示す断面図の一部。
【図５】  チューブ状被加工素材の壁を貫通する孔の打ち抜きを示す断面図の一部。
【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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