(57)【要約】【課題】  流体の水撃現象を利用した簡易かつ応用性の高いバルジ加工装置およびバルジ加工方法を提供すること。【解決手段】  金型１、金型1内の空孔２に装着される被加工材３、流体圧を変化させる機能を有する流体圧供給機構４、流体圧供給機構４と被加工材３を含む閉環状流路５から構成されるバルジ加工装置。閉環状流路５の流路内に流体圧供給装置４と並列に流量制限装置６を設置することが望ましい。また被加工材３の軸方向片側もしくは両側に軸押し機構７を有していても良い。前記バルジ加工装置を用いて閉環状流路５に水撃を発生させ、それによる圧力上昇を利用して被加工材３を成形するバルジ加工方法。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金型間に成形される空孔内に装着された被加工金属材を、流体圧供給装置によって供給される流体圧により加圧し、前記被加工材を前記空孔内の形状に沿って加工するバルジ加工装置において、前記流体圧供給装置は流体圧を変化させる機能を有し、前記被加工金属材と前記流体圧供給装置を含む流路が閉環状となっていることを特徴とするバルジ加工装置。
【請求項２】
前記流体圧供給装置はタービンの停止手段を有するターボ式、またはピストンもしくはローターの停止手段を有する容積式のポンプであることを特徴とする請求項１記載のバルジ加工装置。
【請求項３】
前記流路に流体圧供給装置と並列に流量制限装置を有することを特徴とする請求項１又は２記載のバルジ加工装置。
【請求項４】
前記流量制限装置として電磁弁を用いることを特徴とする請求項３記載のバルジ加工装置。
【請求項５】
前記被加工金属材の軸方向片側または両側に軸押し機構を有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のバルジ加工装置。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載のバルジ加工装置を用いて、前記流体圧供給装置または前記流量制限装置を作動させることにより流量を減少させ、それにより発生した水撃により前記被加工金属材を加工することを特徴とするバルジ加工方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金型間に成形される空孔内に装着された被加工金属材（被加工材ともいう）に流体圧を付与してバルジ加工するバルジ加工装置およびバルジ加工方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、成形加工の一形態としてバルジ加工（ハイドロフォーミング加工）が用いられている。バルジ加工方法の一例を以下に示す。金型間の空孔内に被加工材を装着する。被加工材としては鉄系、非鉄系を含む各種金属材の板または管が用いられる。また被加工材には本バルジ加工以前に曲げ加工を始めとする予加工が加えられていてもよい。
次に、流体圧供給装置によって供給される流体圧により被加工材を加圧する。流体圧による加圧は、被加工材が管の場合は管内壁と管外壁で、また被加工材が板の場合は板の裏面と表面で、作用する圧力に差が生じるようにする。すると、被加工材は空孔内壁に沿った形状に変形し求める形状の成形品となる。被加工材に内圧を付加するのと同時に、被加工材の軸方向片側または両側に設置された軸押し機構によって被加工材に軸方向圧縮力を作用させ被加工材を加工してもよい。また、被加工材に圧力を付加するより前に上下金型間に型締め力を付与し、それによって被加工材に圧力が付加されたときに金型が開かないようにする。
また、より良い成形条件を実現する装置として、特許文献１には被加工材に作用する内圧を周期的に変動させるハンマリング機構を流体圧供給装置とは別に設けたことを特徴とするバルジ加工装置が開示されている。
【特許文献１】特開２００１−２１２６２９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
特許文献１等に、被加工材に作用する内圧を周期的に変動させるハンマリング機構を流体圧供給装置とは別に設けたことを特徴とするバルジ加工装置に関する発明は開示されていても、上記発明は被加工材に作用する静水圧を制御するものであり、静水圧変動を誘起する圧力波の伝播方向は制御することが出来ない。また、上記発明はハンマリング機構を用いることによる静水圧変動を被加工材と空孔内壁の摩擦力制御手段に用いることで成形性の向上を図るものであり、ハンマリングは被加工材に作用する加工力の主体とはなっていない。また、上記発明はハンマリング機構を流体圧供給装置と別に設置しており、これにより装置全体の設置面積、ランニングコスト、消費エネルギー等が増大する。
本発明は、流体の水撃現象を利用した簡易かつ応用性の高いバルジ加工装置およびバルジ加工方法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】
【０００４】
係る課題を解決するため、本発明の手段は以下のとおりである。
（１）  金型間に成形される空孔内に装着された被加工金属材を、流体圧供給装置によって供給される流体圧により加圧し、前記被加工材を前記空孔内の形状に沿って加工するバルジ加工装置において、前記流体圧供給装置は流体圧を変化させる機能を有し、前記被加工金属材と前記流体圧供給装置を含む流路が閉環状となっていることを特徴とするバルジ加工装置
（２）  前記流体圧供給装置はタービンの停止手段を有するターボ式、またはピストンもしくはローターの停止手段を有する容積式のポンプであることを特徴とする（１）記載のバルジ加工装置
（３）  前記流路に流体圧供給装置と並列に流量制限装置を有することを特徴とする（１）又は（２）記載のバルジ加工装置
（４）  前記流量制限装置として電磁弁を用いることを特徴とする（３）記載のバルジ加工装置
（５）  前記被加工金属材の軸方向片側または両側に軸押し機構を有することを特徴とする（１）〜（４）のいずれか１項記載のバルジ加工装置
（６）  （１）〜（５）のいずれか１項に記載のバルジ加工装置を用いて、前記流体圧供給装置または前記流量制限装置を作動させることにより流量を減少させ、それにより発生した水撃により前記被加工金属材を加工することを特徴とするバルジ加工方法。
【発明の効果】
【０００５】
本発明により、流体の水撃現象を利用した簡易かつ応用性の高いバルジ加工装置およびバルジ加工方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
本発明を実施するための最良の形態について、以下に図面を用いて詳細に説明する。
前記（１）〜（５）記載のバルジ加工装置の概略図を図１に示す。金型１は上金型と下金型から構成されている。上金型と下金型が組み合わされると金型１の内部に空孔２が成形される。金型１は図示されていないバルジ加工用プレス機に装着され、型締め力が付加される。
この空孔２に被加工金属材３が装着される。本実施形態では被加工金属材３には鋼管が用いられているが、板材を用いることも出来る。本実施形態では被加工金属材３には予加工が施されていない素管を使用しているが、場合によっては曲げ加工などの予加工が施された管を用いることもある。
【０００７】
本実施形態では流体圧供給装置４としてターボ式のポンプを使用しているが、ピストンもしくはローターの停止手段を有する容積式のポンプ、またはこれらを組み合わせたものでもよい。流体圧供給装置４は流体圧を変化させる機能を有している。本実施例ではターボ式ポンプのタービン停止手段を有している。
流体圧供給装置４と被加工金属材３は閉環状流路５によって連結されている。閉環状流路５内部の流体は流体圧供給装置４により流体圧を得て被加工金属材３を加圧するとともに閉環状流路５内部を循環する。また、前記流体圧は流体圧供給装置４の流体圧を変化させる機能により変化させることができる。
【０００８】
前述の閉環状流路５には流体圧供給装置４と直列に流量制限装置６を設置してもよい。本実施形態では流量制限装置として電磁弁が用いられているが、機械式の開閉弁、機械的加工による流路のせき止めでもよい。また、流量制限装置６の設置位置は被加工金属材３の上流、下流、もしくはその両方に設置して構わない。流量制限装置６を作動させることにより前記流体圧を変化させることが出来る。
被加工金属材３の軸方向片側または軸方向両側に軸押し機構７を設置してもよい。軸押し機構７の設置により、被加工金属材３に流体圧を作用させるのと同時に被加工金属材３に軸方向圧縮力を作用させて被加工金属材３を加工することが出来る。
【０００９】
次に、前記（１）〜（５）のいずれか１項に記載のバルジ加工装置を用いるバルジ加工方法について説明する。
流体圧供給装置４の流体圧を変化させる機能を用いる、または流量制限装置６を作動させることによって環状流路５を循環する流体の流体圧を変化させると、流路内の流体には局所的に非定常な圧力上昇が生じ、その圧力上昇が流路上流へ伝播していく水撃という現象を引き起こす。この水撃による圧力上昇値はJoukowskyの式により概算することができる。この圧力上昇を利用して被加工金属材３を加工する。本実施例では流量制限装置６を作動させた場合について説明する。
【００１０】
流量制限装置６を作動させることにより発生した圧力上昇は流量制限装置６から閉環状流路を流れの上流に向かって伝播する。そして閉環状流路を一周し流量制限装置６の下流側に到達すると、圧力波は流量制限装置６の下流側で反射し、今度は流れの上流側に向かって伝播する。このように流路内に圧力波が往復する現象が見られる。管内の流速が比較的小さく、よって発生する圧力上昇も小さいときは、この圧力変動を被加工材と金型空孔内壁との摩擦力制御手段に用いることでハンマリング効果を得ることができ、結果良好な成形品を得ることが出来る。
また管内の流速が比較的大きく、発生する圧力上昇も大きいときは、この圧力上昇を加工力の主体とした加工が可能である。水撃を用いれば金型内部圧力を極めて短時間に昇圧させることが出来るので、歪速度依存性を示し高速加工が適切な材料の場合、良好な成形品を得ることが可能になる。
【００１１】
また、本発明を用いた場合に発生する圧力伝播には指向性がある。これを利用すれば、例えば被加工材の片側にもう片側より先に高い内圧を付与することが可能となる。テーラードチューブのバルジ加工では板厚の薄い部分が厚い部分より多く流入してしまい、成形不良を引き起こすことがあるが、本発明の特徴を用いれば、板厚の厚い部分に先に高い内圧を付与し成形してしまうことで、板厚の薄い部分の流入を制限し、結果良好な成形品を得ることが可能となる。
【実施例】
【００１２】
上述の発明を元に、実施例として図１に示すバルジ加工装置を試作し、鋼管を用いたバルジ成形を行った。流体圧供給装置としてターボ式ポンプを使用し、流量制限装置として電磁弁を使用した。
鋼管は素材Ａと素材Ｂの２種類を用いた。素材Ａは内径５０ｍｍ、軸方向長さ３００ｍｍ、板厚１．６ｍｍである。素材Ｂは内径５０ｍｍ、軸方向長さ２００ｍｍ、板厚１．６ｍｍの鋼管と内径５０ｍｍ、軸方向長さ１００ｍｍ、板厚１．２ｍｍの鋼管をレーザー溶接により接合したものである。材質は素材Ａ、素材Ｂとも共通であり、その特性を表１に示す。
【００１３】
【表１】
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【００１４】
成形試験は高さ２５ｍｍの枝管張出し成形を行った。その際の基準圧（環状流路内を循環する定常流の静水圧）、水撃圧（水撃現象による最大圧力上昇値）、また成形品の破断若しくはしわ発生の有無を調査した。
表２に連続１００回成形した試験結果を示す。比較例として、本発明による加工方法を適用しない場合の結果を表３に示す。
【００１５】
【表２】
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【００１６】
【表３】
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【００１７】
本発明による加工方法を適用しない比較例1では、不良率はＡ、Ｂともに１０％程度あるが、同じ基準圧（１００ＭＰａ）で水撃圧を５ＭＰａ付加した本発明例１の場合、水撃圧の圧力変動によって被加工材と金型空孔内壁との摩擦力を減少させるハンマリング効果を得ることができ、比較例１よりも良好な結果が得られた。
さらに、本発明例２では本発明例１と比較して基準圧を下げ（１００ＭＰａ→７２ＭＰａ）、水撃圧を上げる（５ＭＰａ→３５ＭＰａ）ことで水撃圧を加工の主体とした。この場合、鋼材のもつ歪速度依存性により成形性が向上し、素材Ａにおいては本発明例１よりも良好な成形性を示した。しかし、素材Ｂにおいては板厚の薄い方の材料流入が板厚の厚い方に比べて大きい。この板厚の差による材料の不均一な流入が成形不良の原因となり、成形性はそれほど改善しなかった。
【００１８】
そこで、本発明例３では本発明例２と同じ基準圧、水撃圧とし、流量制限装置の設置位置を変更することで水撃圧入射方向を逆にして成形を行った。これにより水撃圧の1度目の入射は板厚の厚い方からとなり、まず先に板厚の厚い方を成形することができる。これにより板厚の差による不均一な材料流入が抑制され、成形性が向上した。素材Ｂの場合、本発明例２では不良率４／３［％］であるのに対し、本発明例３では不良率１／０［％］と改善が見られた。素材Ａの場合は素材に板厚の差はないので、本発明例２と本発明例３で成形性に差は見られなかった。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】流体圧供給装置と被加工材を含む流路が環状となっているバルジ加工装置の断面図を示す。
【符号の説明】
【００２０】
１    金型                        ２    空孔
３    被加工材                    ４    流体圧供給装置
５    環状流路                    ６    流量制限装置
７    軸押し機構
【図１】
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