(57)【要約】【課題】  成形が容易で、素管や補強材のサイズ・材質・形状等の自由度が大きく、更に他部品と溶接することが可能なハイドロフォーム加工方法及びハイドロフォーム成形品及び構造体を提供する。【解決手段】  金属管の外側の一部に、軸方向に開口した鞘管を巻き付けたまま、ハイドロフォーム用金型内に装着し、そのままハイドロフォーム加工することによって、一部のみ鞘管で補強されたハイドロフォーム部品を得ることができる。また当該鞘管にフランジを設けておくと、フランジ付きハイドロフォーム部品を得る事ができ、当該フランジ部によって他部品と溶接した構造体が得られる。【選択図】  図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属管の外周より大きく、軸方向に開口した金属製鞘管を一部に巻いた前記金属管を金型に固定し、前記金属管に内圧と管軸方向の押し力、又は内圧を負荷することを特徴とするハイドロフォーム加工方法。
【請求項２】
金属管と接触する金属製鞘管の内側の端部を予め削除しておくことを特徴とする請求項１記載のハイドロフォーム加工方法。
【請求項３】
金属管と接触する金属製鞘管のコーナー部を予め削除しておくことを特徴とする請求項１又は２記載のハイドロフォーム加工方法。
【請求項４】
断面形状が軸方向に変化している金属製鞘管を金属管に巻くことを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載のハイドロフォーム加工方法。
【請求項５】
フランジ部の付いた金属製鞘管又は加工後フランジ部を形成するように曲げ加工した金属製鞘管を金属管に巻くことを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載のハイドロフォーム加工方法。
【請求項６】
金属製鞘管の代わりに、折り曲げた金属板を金属管に巻くことを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載のハイドロフォーム加工方法。
【請求項７】
１周以上の渦巻状である金属製鞘管又は金属板を金属管に巻くことを特徴とする請求項１〜６の何れか１項に記載のハイドロフォーム加工方法。
【請求項８】
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金属管の一部を拡管させたハイドロフォーム加工部品であって、前記金属管の拡管部の一部又は全部が軸方向に開口部を有する金属製鞘管で巻かれていることを特徴とするハイドロフォーム成形品。
【請求項９】
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金属管の一部を拡管させたハイドロフォーム加工部品であって、フランジ部の付いた金属製鞘管が前記金属管の拡管部の外側の一部又は全周に巻かれることによって固定されていることを特徴とするハイドロフォーム成形品。
【請求項１０】
請求項９記載のハイドロフォーム成形品と一体に溶接されていることを特徴とする金属構造体。
【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加工方法および成形品および構造体に関する。
【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】
一方、軽量化の観点からは、強度や剛性的に必要な箇所を厚くし、そうでない箇所は薄肉にすることが望ましい。しかし、一般にハイドロフォームは１本の金属管から成形されるため、成形品の板厚は、ほぼ全体的に均一である。拡管や軸押しによって板厚は変化するが、上述のような、適正な板厚分布を故意に造り込むことは困難である。そこで、それらの問題を解決する一つの手段として最近検討されているのが、特許文献１や特許文献２のようなテーラードチューブを用いたハイドロフォームである。テーラードチューブとは、板厚や材料の異なる複数の金属管を予め結合した金属管であり、これを用いると比較的適正な板厚分布が得られる。
【０００４】
テーラードチューブの製造方法には、板厚や材質の異なる金属管同士を管軸方向に結合する方法と、板厚や材質の異なる金属板を予め結合した金属板（いわゆるテーラードブランク）を丸めて管状にする方法の２種類がある。しかし、いずれの方法でも構成される材料の種類は２〜３種類程度である。その理由としては、多種類になるほど溶接等の結合時の精度や熱変形等の問題が発生し、またコスト的にも高くなるからである。
【０００５】
そこで上記課題に対して有効な方法としては、特許文献１（前述）や特許文献３のように予め補強したい箇所に補強用管材６を嵌めてハイドロフォーム加工する方法が挙げられる（図１）。当該方法により、強度配置を細分化した部品を得ることができる。また必要な箇所を局部的に強化する方法としては、図２のように、外側からパッチ２を溶接する方法もある（図２）。
【特許文献１】特開２００１−３２１８４３号公報
【特許文献２】特開２００２−５３０６９号公報
【特許文献３】特開２００１−３３４３１６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述のテーラードチューブのハイドロフォームや補強用鋼管を嵌めたハイドロフォームも成形時の加工条件の探索が非常に難しいという問題がある。そもそもハイドロフォームの成形において最も難しいのは管内部の内圧（以後、内圧と称す）と管軸方向の押し込み量（以後、軸押し量と称す）のバランスである。通常の一様板厚・一様材料の管（以後、単管と称す）におけるハイドロフォーム時の負荷経路例を図３に示す。このように単管でも複雑な負荷経路を示し、最終の内圧と軸押し量だけでなく、その途中の経路も非常に重要となる。例えば、途中の内圧が高すぎると（同図（ａ））成形途中で管が破裂したり、途中の圧力が低過ぎると（同図（ｃ））しわが残る場合もある。この適正な負荷経路は、当然、管の板厚や材料特性によって異なる。従って、異なる板厚や材料を有しているテーラードチューブの場合、その負荷経路は更に難しくなる。例えば、高強度側の材料に適した負荷経路で成形すると低強度側の材料にとっては高圧過ぎるため途中で破裂し易くなる。反対に低強度側の材料に適した負荷経路で成形すると途中の破裂は防止できるが、高強度側の材料はほとんど膨らまない状態で軸押しするため座屈が起き易くなる。そのため、テーラードチューブのハイドロフォーム加工条件を導くのは非常に難しく高度な熟練技術が必要とされる。また熟練技術を要しても成形不可能な場合は、製品の拡管率を下げたり、材料間の強度差を小さくするなどの変更が必要となる。しかし、それでは本来のテーラードチューブやハイドロフォームのメリットが活かしきれず、軽量化の効果も薄れてしまう。また、補強用管材がある場合も、素管と同時に補強用管材も拡管する必要があるため、上記テーラードチューブにおける課題と同じ問題が発生する。
【０００７】
また、パッチを溶接する方法は、好きな箇所を補強できるという意味では自由度はあるが、溶接工程が必要になるため、設備的にも能率的にも負荷が重く、高コストになる。また疲労特性が必要とされる部品の場合は溶接箇所が極力少ない方が製品の信頼性上も望ましい。
【０００８】
また、ハイドロフォームの成形品を自動車部品に適用する際に問題となるのが、他部材との接合である。通常よく使用されるスポット溶接が、閉断面のハイドロフォーム成形品では適用が難しいからである。そのため、レーザー溶接等で接合することが望まれるが、その際には新しい設備投資が必要になるという問題も発生する。
【０００９】
本発明は、上述のように、ハイドロフォームの軽量化効果を最大限発揮するために適当な箇所のみに適当な補強を可能にしたハイドロフォーム加工方法及び当該加工方法にて成形したハイドロフォーム加工部品を提供することを目的とする。また、それを応用して、従来困難であったフランジ付きのハイドロフォーム部品の加工方法と、その当該ハイドロフォーム部品及び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】
【００１０】
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。
（１）金属管の外周より大きく、軸方向に開口した金属製鞘管を一部に巻いた前記金属管を金型に固定し、前記金属管に内圧と管軸方向の押し力、又は内圧を負荷することを特徴とするハイドロフォーム加工方法。
（２）金属管と接触する金属製鞘管の内側の端部を予め削除しておくことを特徴とする前記（１）記載のハイドロフォーム加工方法。
（３）金属管と接触する金属製鞘管のコーナー部を予め削除しておくことを特徴とする前記（１）又は（２）記載のハイドロフォーム加工方法。
（４）断面形状が軸方向に変化している金属製鞘管を金属管に巻くことを特徴とする前記（１）〜（３）の何れか１項に記載のハイドロフォーム加工方法。
（５）フランジ部の付いた金属製鞘管又は加工後フランジ部を形成するように曲げ加工した金属製円筒を金属管に巻くことを特徴とする前記（１）〜（４）の何れか１項に記載のハイドロフォーム加工方法。
（６）金属製鞘管の代わりに、折り曲げた金属板を金属管に巻くことを特徴とする前記（１）〜（５）の何れか１項に記載のハイドロフォーム加工方法。
（７）１周以上の渦巻状である金属製鞘管又は金属板を金属管に巻くことを特徴とする前記（１）〜（６）の何れか１項に記載のハイドロフォーム加工方法。
（８）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金属管の一部を拡管させたハイドロフォーム加工部品であって、前記金属管の拡管部の一部又は全部が軸方向に開口部を有する金属製鞘管で巻かれていることを特徴とするハイドロフォーム成形品。
（９）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金属管の一部を拡管させたハイドロフォーム加工部品であって、フランジ部の付いた金属製鞘管が前記金属管の拡管部の外側の一部又は全周に巻かれることによって固定されていることを特徴とするハイドロフォーム成形品。
（１０）前記（９）のハイドロフォーム成形品と一体に溶接されていることを特徴とする金属構造体。
【発明の効果】
【００１１】
本発明により、従来のテーラードチューブのハイドロフォームや閉断面の補強用管材を用いたハイドロフォームでは成形できなかった、より適正な強度・板厚分布を有した部品が成形可能になる。また溶接工程が不要なため、従来のパッチ溶接方法よりも低コストで高信頼性を有する部品が得られる。更に、従来困難であった他部品とのスポット溶接も可能になる。これらの効果により、自動車の軽量化が更に進み、地球温暖化防止に貢献できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
図４は、ハイドロフォーム加工される金属管（以後、基本管と称す）５に、管軸方向にスリット（開口部ともいう）１０のある開断面状の補強用部材（以降、鞘管と称す）９を用いて長方形断面に拡管する場合のハイドロフォーム加工の例である。この例を用いて本発明の詳細を説明する。
【００１３】
まず基本管５と鞘管９を準備する。鞘管９は、基本管５の外径よりも大きい内径を有しており、また円周上にスリット部１０を有する開断面（いわゆるＣ形状の断面）にする。
準備した基本管５の外側に鞘管９を図４のように挿入する。その際、鞘管９の管軸方向の位置は、成形後の部品における補強したい箇所にセットしておく。また、この鞘管９は開断面であるため、成形後には全周に至らない場合もある。その場合は、鞘管９のスリット部１０の周方向位置も考慮する必要があり、成形後に補強したい箇所に鞘管９が存在するように、予めスリット部１０を補強の必要ない箇所にセットしておく。
上述のように組み合わせた基本管５と鞘管９をハイドロフォームの下金型４ｂの上にセットし、上金型４ａを閉める。
【００１４】
その後、基本管５の内面に圧力を負荷し、同時に両管端を軸押しするという、いわゆるハイドロフォーム加工を実施する。ハイドロフォーム加工により基本管５は金型４の内面に沿った形状５ａに成形される。同時に鞘管９は基本管５ａと金型４に挟まれて、金型４に沿った形状９ａに成形される。鞘管９は開断面であるため、ほとんど周方向には伸びることがなく、板厚方向の曲げ変形だけで成形される。従って基本管５と比較すると、変形に要する内圧は少なくて済む。すなわち、基本管５のみの場合のハイドロフォーム加工条件とほとんど同じ加工条件で成形可能となる。この点が、従来法に対して優れた利点であり、従来の閉断面の鞘管９を用いた方法では、その閉断面の鞘管９自身も周方向に伸ばす必要があるため、その分、大きな内圧が必要となる。すると単管のハイドロフォーム加工条件がそのまま使用できないことになり、場合によっては適正なハイドロフォーム加工条件が得られないこともある。
【００１５】
ただし、本発明の鞘管９は、その取り付く位置によっては成形後に外れる可能性がある。図５の（ａ−１）や（ａ−２）のような鞘管９ａの円周方向位置では、成形後に外れてしまう。それを防止するために、同図（ｂ−１）や（ｂ−２）のように、鞘管９ａが外れない範囲まで鞘管９ａが存在する必要がある。しかし、必ずしも鞘管９ａの周方向長さを長くする必要があるわけではなく、部品の形状を工夫すれば、鞘管９ａの周方向長さが短くても外れなくすることは可能である。例えば、同図（ｃ−１）、（ｃ−２）、（ｃ−３）のような部品断面にすると成形後に鞘管９ａが外れないようにすることが可能である。また、そのような断面は、鞘管９ａの全長に渡っても良いが、管軸方向の一部であっても良い。同図（ｄ−１）は鞘管９ａの全長に凹み部１１が溝状にある例であり、（ｄ−２）では、凹み部１１が一部だけ凹んでいるだけの例であるが、いずれも鞘管９ａの外れるのを防止している。
【００１６】
また、鞘管９ａの板厚が厚い場合、図６の（ａ）のように、その鞘管の内側の端部１２に当たる箇所１３で基本管５ａの減肉が顕著になり、ハイドロフォーム中に割れる危険性がある。従って、円周方向及び管軸方向における鞘管の内側の端部１２は、同図（ｂ）のように斜めに削るか、あるいは同図（ｃ）のように内側にＲを設けるなどの端面加工を施しておくことが望ましい。同様に、同図（ｃ−１）のような鞘管のコーナー部１４も斜めに除去したり（図示しない）、Ｒを付けておくと、当該箇所のハイドロフォーム加工時の割れ防止に有効である。
【００１７】
次に、鞘管９の製造方法に関して述べる。
鞘管９は、図７（ａ−１）のように、金属管１５の管軸方向にスリット１０を入れる方法で製造する必要はなく、同図（ａ−２）のように、金属板１６を丸めて製造しても良い。また、断面も真円にする必要もなく、同図（ｂ−１）や（ｂ−２）のように、金属板を簡易に曲げただけの断面形状でも良い。このように、本発明における鞘管９では、その製造方法を簡易にすることにより、製造コストが下げられるという利点もある。
【００１８】
また、鞘管９の形状は軸方向に一定である必要もなく、図８の例のように、軸方向に断面形状が変化した形状であったり、一部に穴１７を設けても良い。この利点を最大限に活用すると、部品の軽量化メリットに対しても最大限効果が発揮できる。
【００１９】
また、鞘管９ａは一箇所だけでなく、複数箇所に適用しても良い。図９の（ａ）は同一断面内の円周方向２ヶ所に適用した例であり、（ｂ）は管軸方向に３ヶ所適用した例である。それぞれの鞘管９ａが同一材料、同一板厚、同一形状である必要は全くなく、必要な箇所に、それぞれ適正な鞘管９ａを採用することができ、軽量化の観点から非常に有効である。同様の効果をテーラードチューブで達成しようとすると、細かく細分化されたテーラードチューブが必要となるが、当然、そのテーラードチューブの製造や、ハイドロフォーム加工が非常に困難になる。また図９（ｂ）に示されるように、適用する箇所も、基本管５ａの直線部分だけでなく、曲線部分にも容易に適用できるという点も本発明の利点である。
【００２０】
また、ハイドロフォーム成形後も全周に渡って鞘管９ａを存在させる必要がある場合は、図１０の（ａ−１）のように、成形後の鞘管９ａの周長に合わせた鞘管９を渦巻状に基本管５に巻きつけておけば良い。それをハイドロフォーム加工すれば、同図（ａ−２）のように全周に渡って補強された断面が得られる。更に応用すると、同図（ｂ−２）のように、断面の一部のみ鞘管９ａが二重になって、より補強された箇所を設けることも可能になる。
【００２１】
次に、Ｔ字断面の鞘管１８を用いてフランジを設けたハイドロフォーム部品を成形する例を述べる。図１１の（ａ−１）のように、Ｔ字型の一部を丸めた形状の鞘管１８を下金型４ｂにセットする。その際、フランジに相当する箇所１９を金型の隙間に置き、そのまま、上金型４ａを閉める（ａ−２）。その後、ハイドロフォーム加工するとフランジ部を有するハイドロフォーム部品、即ちフランジ部２１の付いた金属製鞘管１８が、金属管５の拡管部５ａの外側の一部に巻かれることによって固定されているハイドロフォーム成形品が得られる（ａ−３）。上記は、Ｔ字型の鞘管１８を用いた例であるが、同図（ｂ−１）のように、単純な板材を曲げ加工した金属板２０を用いて、型締め時に当該金属板２０の一部を潰すことによってフランジ部２１を設けても良い（ｂ−２）。その後は、同様にハイドロフォーム加工すれば、（ａ）と同様のフランジ付きハイドロフォーム部品を得ることができる（ｂ−３）。このようにして得られたフランジ付きハイドロフォーム部品は、周辺部の溶接、スポット溶接等によって他部材２２と容易に接合することが可能である。
尚、図１１では、前記金属管の拡管部の外側の一部に金属製鞘管が巻かれる例を示したが、図１０に示すように、金属管の拡管部の外側の全周に、上記の金属製鞘管を巻くことより、より強固に固定することができる。
【００２２】
以上のように本発明では、従来法と比べて補強する鞘管９や適用される基本管５の自由度が高く、軽量化効果を最大限に発揮することができる。また、本発明を応用すれば、従来のハイドロフォーム部品では困難であった溶接も容易に適用可能となる。
【実施例】
【００２３】
下記に本発明の実施例を示す。
ハイドロフォーム用金型には、図１２（ａ）に示すような長方形断面に拡管する形状を用いた。基本管には、外径６３．５ｍｍ、板厚２．３ｍｍ、全長４９０ｍｍのサイズで、材質はＳＴＫＭ１１Ａの鋼管を用いた。鞘管には、外径８２．６ｍｍ、板厚２．０ｍｍ、全長８０ｍｍのサイズで、材質はＳＴＫＭ１１Ａの鋼管をスリットした材料を用いた（スリット幅＝１０ｍｍ）。ハイドロフォーム加工条件は、同図（ｂ）に示すとおりである。なお、本加工条件は、鞘管のない基本管だけの場合の成形条件と同一条件である。
【００２４】
図１２（ｃ）に成形結果の写真を示す。写真より、中央部が鞘管で補強されたハイドロフォーム部品が得られることが判る。なお、本部品は、基本管のみの場合と同一条件で成形できたため、ハイドロフォーム加工条件探索には、苦労を要することはなかった。比較のため、同一材料でスリットのない鋼管を鞘管にして同様の成形を行った場合、鞘管を嵌めた場所でほとんど拡管されずに、その他の箇所で破裂してしまい、成形不可能であった。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】従来の閉断面の補強用管材を嵌めた場合のハイドロフォーム加工方法の説明図を示す。
【図２】従来のパッチを溶接することにより補強する方法の説明図を示す。
【図３】ハイドロフォームの負荷経路によって発生する加工不良の種類を示す。
【図４】本発明例による開断面の鞘管を嵌めて補強するハイドロフォーム加工方法の説明図を示す。
【図５】本発明の鞘管の適切な嵌め方の説明図を示す。
【図６】本発明の鞘管端部の適切な形状を示す。
【図７】本発明の鞘管の製造方法及び断面形状を示す。
【図８】本発明の鞘管形状の種類を示す。
【図９】本発明の鞘管の取付け位置を示す。
【図１０】本発明の渦巻状に巻き付けた場合の鞘管を示す。
【図１１】本発明のフランジ付きハイドロフォーム部品の加工方法及び当該方法で加工されたハイドロフォーム成形品及び構造体を示す。
【図１２】本発明の実施例を示す。
【符号の説明】
【００２６】
１・・・ハイドロフォーム成形品
２・・・補強用パッチ
３・・・溶接部
４・・・ハイドロフォーム金型
４ａ・・ハイドロフォーム上金型
４ｂ・・ハイドロフォーム下金型
５・・・ハイドロフォームされる金属管（基本管）
５ａ・・ハイドロフォーム後の金属管（基本管）
６・・・補強用管材
７・・・軸押しパンチ
７ａ・・軸押しパンチ（左側）
７ｂ・・軸押しパンチ（右側）
８・・・水充填口
９・・・開断面形状の補強用部材（鞘管）
９ａ・・ハイドリフォーム後の鞘管
１０・・鞘管のスリット部（開口部）
１１・・鞘管固定用の凹み部
１２・・鞘管の内側の端部
１３・・ハイドロフォーム後に鞘管端部に当たる基本管の箇所
１４・・鞘管のコーナー部
１５・・鞘管用の金属管
１６・・鞘管用の金属板
１７・・鞘管に空けられた穴
１８・・フランジ用構造材
１８ａ・ハイドロフォーム後のフランジ用鞘管
１９・・フランジ用鞘管のフランジ部
２０・・曲げ加工した金属板
２０ａ・ハイドロフォーム後の金属板
２１・・金型で挟み込むことで成形されたフランジ部
２２・・スポット溶接で接合される他部材
２３・・スポット溶接の電極
２４・・スポット溶接部
【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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【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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