(57)【要約】【課題】  管体への内圧と軸押し込み量の組合せ付与によって管体をハイドロフォーミングする際、成形可能領域を拡大し、高強度，薄肉の管体であっても成形不良の発生をなくし、所望形状品を生産性良く成形する。【解決手段】  被加工素管として、管軸方向のランクフォード値（ｒ値）が１．２〜２．０で、さらに表面に潤滑処理を施した管体を用い、素管の変形特性，潤滑処理およびサイズ、ならびに成形しようとする形状等に応じて、付与内圧と軸押込み量との間で予め割れ限界線Ｗおよびしわ座屈限界線Ｓを作成し、加工開始当初から前記割れ限界線およびしわ座屈限界線の間の負荷経路ｍで内圧と軸押込み量を連続的に付与して成形する。【選択図】        図７
2005262240.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
管体を内圧と軸押し込み量の組合せ付与によってハイドロフォーミングする際、被加工素管として、管軸方向のランクフォード値（ｒ値）が１．２〜２．０で、さらに表面に潤滑処理を施した管体を用い、素管の変形特性，潤滑処理およびサイズ、ならびに成形しようとする形状に応じて、付与内圧と軸押込み量との間で予め割れ限界線およびしわ座屈限界線を作成し、加工開始当初から内圧と軸押込み量を前記割れ限界線およびしわ座屈限界線の間で連続的に付与して成形することを特徴とする管体のハイドロフォーミング方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自動車用サスペンションメンバー材等の製造に適用されるハイドロフォーミング方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年ハイドロフォーム技術は、部品の軽量化，剛性の向上，部品数削減によるコスト削減等の観点から自動車業界において注目されており、国内メーカーでの採用も増えている。ハイドロフォーミングは、金型内に設置された管体への負荷内圧と軸押し込み量の組合せによって管体を様々な形状に成形するものである。
しかし、ハイドロフォーミングでは、最終的な内圧と軸押し量が同じでも途中の負荷経路が異なると、最終的な成形品の出来映えが全く変わってくるという問題点がある。例えば、目標とする最終内圧と軸押し量が同一でも負荷経路によっては、途中で割れたり、割れないまでもしわが出たり、コーナー部形状が目標値に達しない等の不良品が発生することが多い。適切な負荷経路の設定には困難を要し、試行錯誤で設定しているのが現状である。
【０００３】
一例として、特許文献１では、管体に内圧を負荷して昇圧した後、軸押し込みをかけ、再び昇圧する工程が紹介されている。また、特許文献２では、管の初期座屈荷重と、成形に伴い増加して行く材料内の内圧上昇分、材料と金型との摩擦分、材料の塑性変形分といったパンチに及ぼす抵抗分の合力を軸押し力とし、成形内圧の上昇にほぼ比例して軸押し力を負荷して行く軸押し制御方法が提案されている。
【０００４】
上記特許文献１で提案された方法では、最初の昇圧はシーリングを目的とした軸押込みを除き軸押込みなしの完全昇圧である。そして次の軸押込みは昇圧なしの完全軸押込みである。そのため、初期の昇圧によって成形品の板厚を大きく減少させてしまい、その後の軸押込み前に成形品が割れることがある。割れないまでも、軸押込み時において軸押込み量の過剰によるしわの発生や座屈を起こしやすくなる。
また、上記特許文献２で提案された方法では、チューブ成形時に、軸押し力は成形内圧，摩擦抵抗，塑性変形における抵抗といった数種の合力を制御しなければならないが、加工中の摩擦抵抗，塑性変形における抵抗を計測することは困難である。また、これらの抵抗力を計測するために、設備が複雑化するといった問題点が生じる。
【０００５】
そこで、本発明者等は、管体への内圧と軸押し込み量の組合せ付与によって管体をハイドロフォーミングする際、負荷経路を割れやしわの発生領域を回避するように制御して、それらを原因とした成形不良の発生をなくすために、管体を内圧と軸押し込み量の組合せ付与によってハイドロフォーミングする際、被加工素管の材質およびサイズ、ならびに成形しようとする形状に応じて、内圧と軸押込み量との間で予め割れ限界線およびしわ座屈限界線を作成し、加工開始当初から内圧と軸押込み量を前記割れ限界線およびしわ座屈限界線の間で連続的に付与することを、特許文献３で提案した。
【０００６】
【特許文献１】特開２００２−６６６４８号公報
【特許文献２】特開２００１−２８６９４５号公報
【特許文献３】特願２００３−２３０００号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、昨今、部品の軽量化，剛性の向上の観点から、自動車用サスペンションメンバー材等に用いられる材料にも、高強度化，薄肉化の要望が高まっている。高強度，薄肉の管体をハイドロフォーミングしようとすると、材料強度が高くなるほど、また板厚が薄くなるほど、前記割れ限界線およびしわ座屈限界線で囲まれる成形可能領域は次第に狭くなって、ハイドロフォーミングし難くなる。
本発明は、このような問題を解消すべく案出されたものであり、管体への内圧と軸押し込み量の組合せ付与によって管体をハイドロフォーミングする際、素管として管軸方向のランクフォード値（ｒ値）が高いものを用い、かつ潤滑状況が良い状態でハイドロフォーミングして、成形可能領域を拡大し、高強度，薄肉の管体であっても成形不良の発生をなくし、所望形状品を生産性良く成形することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明のハイドロフォーミング方法は、その目的を達成するため、管体を内圧と軸押し込み量の組合せ付与によってハイドロフォーミングする際、被加工素管として、管軸方向のランクフォード値（ｒ値）が１．２〜２．０で、さらに表面に潤滑処理を施した管体を用い、素管の変形特性，潤滑処理およびサイズ、ならびに成形しようとする形状に応じて、付与内圧と軸押込み量との間で予め割れ限界線およびしわ座屈限界線を作成し、加工開始当初から内圧と軸押込み量を前記割れ限界線およびしわ座屈限界線の間で連続的に付与して成形することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、被加工素管として、管軸方向のランクフォード値（ｒ値）が１．２〜２．０で、さらに表面に潤滑処理を施した管体を用いてハイドロフォーミングしている。このため、高強度，薄肉の素管であっても、内圧と軸押込み量との間で決められる割れ限界線およびしわ座屈限界線で囲まれる成形可能領域が広くなり、内圧と軸押込み量をこの広い割れ限界線およびしわ座屈限界線の間で付与することができるので、割れやしわ，あるいは座屈等を発生させることはなく、また、潤滑処理の効果が効いて所望のコーナーＲを有するハイドロフォーミング製品を得ることが可能となる。
本発明によると、当初の割れ限界線およびしわ座屈限界線の作成に手間はかかるが、これが作成できれば、その後のハイドロフォーミング作業において不良品を出すことがなくなるので、軽量で所望形状の自動車部品等を低コストで提供できることになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
ハイドロフォーミングは、図１に示されるような装置を使用して行われる。すなわち、下金型３にセットした円形断面の管体１にプレスにより上金型２を押し当て、軸４による押込みと液体５による昇圧を加えて成形していく。
本発明では、予め、被加工素管の変形特性およびサイズ、ならびに成形しようとする形状に応じて、内圧と軸押込み量との間で割れ限界線およびしわ座屈限界線を作成しておくので、まず、その作成手順について説明する。
【００１１】
成形しようとする成形品形状に応じた金型に、被加工素管をセットする。成形においては軸押込み量と内圧量は一定の比率で増加させていく。軸押込み量Ｕと内圧Ｐとで、Δｐ／Δｕ＝Ｇ（単位はＭＰａ／ｍｍ）とし（ただし、Δｐ：内圧の増分、Δｕ：軸押込み量の増分）、本明細書中ではこの値を“負荷経路”と称することにする。成形を進めていく段階でしわや割れが発生する。その時点の内圧値と押込み量を検出する。図２に示すように、Ｇを種々変えて、各Ｇに対応する内圧値と押込み量を網羅的に調べ、グラフ上にプロットして、それらの点をつなぐ近似線を設定する。図２中、割れが発生した×点をつなぐ線が“割れ限界線Ｗ”であり、しわ乃至座屈が発生した×点をつなぐ線が“しわ座屈限界線Ｓ”である。
【００１２】
実際のハイドロフォーム加工品においては、しわ等がないばかりでなく、コーナー部が小さく成形できていることも要求される。したがって、上記２つの限界線とは別に、成形しようとする成形品に応じて目標の“コーナー部限界線Ｒ”を上記限界線設定試験の途中で、成形品形状から判定し、設定する。
上記“割れ限界線Ｗ”，“しわ座屈限界線Ｓ”および“コーナー部限界線Ｒ”で囲まれる領域Ｐが、割れることなく、またしわや座屈を発生させることなく、しかも所望のコーナーＲを有する製品を成形することが可能なハイドロフォーミングの条件となる（図３参照）。すなわち、図４に示すように、しわ座屈限界線Ｓを通過することがないように、図中ａ，ｂで示す負荷経路を選択・調整して上記領域Ｐまで内圧を高めつつ軸押込みを増加して行けば、不良品を出すことなく所望のコーナーＲを有する製品がハイドロフォーミングで成形できることになる。
【００１３】
ところで、ハイドロフォーミングで成形しようとする被加工素管の機械的特性や板厚によって、前記割れ限界線Ｗ，しわ座屈限界線Ｓの位置が変わってくる。
被加工素管の材質が高強度化すると、例えば図４に示す割れ限界線Ｗは上方に移動する。また、しわ座屈限界線Ｓは同図上で左上方に移動するとともに傾きもわずかに大きくなるように変化する。材料強度が高いほど限界内圧は高くなるために、割れ限界線Ｗは上方に移動し、降伏強度が高いほど低い内圧でしわが発生しやすいために、しわ座屈限界線Ｓは左上方に移動すると考えられる。さらに、コーナー部限界線Ｒも同図上で上方に移動するような形態となる。その結果、被加工素管の材質が高強度化するにつれ、成形可能領域は次第に狭くなる。
被加工素管の板厚が薄肉化すると、割れ限界線Ｗ，しわ座屈限界線Ｓおよびコーナー部限界線Ｒの位置は大きく移動する。すなわち、板厚が薄肉化すると、しわ座屈限界線Ｓは傾きを減じて下方に移動する。割れ限界線Ｗも傾きを減じて下方に移動する。さらに、コーナー部限界線Ｒも下方に移動する。そして、しわ座屈限界線Ｓの移動量よりも割れ限界線Ｗの下方への移動量の方が大きいので、成形可能領域は大幅に減少することになる。
【００１４】
前記割れ限界線Ｗ，しわ座屈限界線Ｓの位置は、ハイドロフォーミングで成形しようとする被加工素管の機械的特性や板厚の他にも素管の変形特性や成形時の潤滑の状況によっても変わってくる。
本発明者等が種々検討したところ、大よそ、次のようなことがわかった。
素管の変形特性として、管体を管軸方向に一軸引張りで加工したときの管軸方向のランクフォード値（ｒ値）を採り、ｒ値が変化したときの前記割れ限界線Ｗ，しわ座屈限界線Ｓの位置変化を検討した。なお、本発明では、鋼管をそのまま管長手方向に引張試験を行ない、１５％の引張り歪みを与えて、その後の管径と板厚からｒ値を測定している。
【００１５】
素管の管軸方向のｒ値が大きくなると、割れ限界線Ｗは、例えば図４中では、上方に移動する。高ｒ値材は材料のあらゆる方向への流動性に優れるため、膨張変形が進行しやすく、割れ難くなっている。また、しわ座屈限界線Ｓも、例えば図４中では、右下方に移動する。高ｒ値材は材料のあらゆる方向への流動性に優れるため、軸押しによって圧縮歪みが付与されても増肉を抑える方向に材料が流動するためにしわや座屈の発生を抑制することができている。
すなわち、被加工素管の管軸方向のr値が高いものほど、割れ限界線Ｗとしわ座屈限界線Ｓで囲まれる成形可能領域は広くなり、ハイドロフォーミング性は向上する。
したがって、ハイドロフォーミングし難い高強度，薄肉の素管でも、ｒ値を向上させることによって上記成形可能領域を広くすることができ、ハイドロフォーミングすることが可能となる。
【００１６】
ところで、サスペンションメンバー材等、自動車用ハイドロフォーミング製品の製造に用いられている鋼管は、通常、ｒ値０．９〜１．０程度のものである。この程度の材料で、その強度を高め、薄肉の素管を用いようとすると、上記のように割れ限界線Ｗとしわ座屈限界線Ｓで囲まれる成形可能領域が狭くなり、成形し難くなる。
そこで、本発明は、ｒ値の高い素管を用いて成形可能領域を広くし、ハイドロフォーミングしようとするものである。例えば４４０Ｎ級のような高強度の素材を用い、板厚を１．６ｍｍやそれ以下に薄くした鋼管をハイドロフォーミングしようとするとき、管軸方向のｒ値が１．２〜２．０のものを用いると、ハイドロフォーミングが行ないやすくなったものである。管軸方向のｒ値が１．２に満たないと、４４０Ｎ級のような高強度を有し、板厚が薄い素管では、成形不良が発生し、安定したハイドロフォーミングが行なえない。ハイドロフォーミングする上ではｒ値に上限はないが、ｒ値を高めるには素材製造する際に各種の制約が加わるため、コスト的に高くなるので好ましくない。このような理由から、本発明ではｒ値の上限は２．０に規定している。
【００１７】
一般に鋼板から造管する場合、曲げ加工を伴うため、鋼板に比べて鋼管のｒ値は低下する傾向にある。造管時のｒ値低下を抑制するために、実生産では急激に歪みを与えないような適切な造管ロールの組合せや原板スリット幅の適正化が行なわれている。一部、造管後に温間で縮径することでｒ値を向上させる方法が紹介されている。この方法も適用できるが、工程数が増えることから、コスト高になるというデメリットがあり、得策とはいい難い。
実生産でｒ値を高くする方法としては、鋼板の段階で制御することが最も安価で、容易である。鋼板でのr値向上策としては、組成面では、Ｃ，Ｎ含有量を極力低減した上でＴｉ，Ｎｂ等を添加して固溶Ｃ，Ｎをさらに下げる方法が好ましい。製造面では、焼鈍条件の適正化や圧延率をできるだけ大きくする方法が好ましい。
【００１８】
被加工素管の管軸方向のr値を高くすることは、前記割れ限界線Ｗとしわ座屈限界線Ｓで囲まれる成形可能領域を広くしてハイドロフォーミング性を向上させる点では極めて有意義である。
しかしながら、コーナー部限界線Ｒは、被加工素管の管軸方向のr値が高いと、例えば図４中では、上方に移動する。ｒ値の増大にともない降伏強度が上昇したため、コーナーＲが成形し難くなったものである。
目標のコーナーＲを得るには高内圧を必要とするため、設備的に最高内圧や金型の型締め力の高いものが必要となり、設備費が高くなるばかりでなく設備自体も大型化するため、既存の設備で対応できなくなる場合がある。
【００１９】
本発明では、コーナーＲの成形性を改善する手段として、被加工素管の表面に潤滑処理を施して素管と金型との間の摩擦係数を小さくすることを採用している。表面潤滑処理としては、例えば、粘度６０ｍｍ2／ｓ（４０℃）のプレス工作油の塗布，ポリオレフィン系等の保護フィルムの貼着、或いは両者の併用等が好ましい。
表面に潤滑処理を施した被加工素管を、内圧と軸押し込み量の組合せ付与によってハイドロフォーミングすると、割れ限界線Ｗは、例えば図４中では、潤滑処理を施していない素管と比べて上方に移動する。また、コーナー部限界線Ｒも、例えば図４中では、下方に移動する。このため潤滑処理の採用により、割れの発生を抑制することが可能になり、目標のコーナーＲも成形しやすくなっている。しかしながら、しわ座屈限界線Ｓは、例えば図４中では、左上方に移動し、この点からは、しわ座屈が発生しやすくなる。
【００２０】
素管と金型との間の摩擦係数を小さくし高潤滑にするほどわれが発生し難くなった理由としては、一般に高潤滑になるほど素管と金型間の摩擦抵抗が小さくなるために、金型による材料の拘束力が弱まり、割れ危険部位である素管と上下金型との接触部分境界で生じる局部的な歪みが緩和されることや、軸押し込みによる周方向への材料供給が円滑に行なわれたことが考えられる。
また、高潤滑になると目標コーナーＲが成形しやすくなる理由としては、高潤滑になると素管と金型間の摩擦抵抗が小さくなるために金型による材料の拘束力が弱まり、金型に沿ってコーナーＲが成形されていく際の材料流動が円滑に行なわれたことが考えられる。
さらに、高潤滑になるとしわ座屈が発生しやすくなる理由としては、高潤滑になるほど、低潤滑の場合よりも管長手方向における滑り性が良くなり、軸押し込みによる長手方向への材料供給が過剰に成るために肉余りになることや局部的な増肉が起こりやすくなり、しわや座屈が生じやすくなったと考えられる。
【００２１】
潤滑処理の採用により、しわや座屈は生じやすくなるが、被加工素管として管軸方向のｒ値が高いものを使用すれば、しわや座屈の抑制にはr値の方が影響度が大きいため、現状のｒ値１．０程度の素管よりもしわ座屈が生じやすくなることはない。
以上の通り、被加工素管として管軸方向のｒ値が高いものを使用し、しかも表面に潤滑処理を施した状態でハイドロフォーミングを行なえば、お互いの問題点を相殺しあって、全体として成形可能領域を広くして、成形不良がない成形品を安定的に、生産性良く製造することができる。
【実施例】
【００２２】
供試材として、ＳＴＡＭ４４０Ｇの成分組成を有する鋼板を造管して得た外径６３．５ｍｍ，長さ４００ｍｍの鋼管を使用した。その際、製造要件の調整により、管軸方向のｒ値が１．０で板厚２ｍｍの素管，管軸方向のｒ値が１．０で板厚１．６ｍｍの素管，および管軸方向のｒ値が１．２２で板厚１．６ｍｍの素管、の３種類の素管を用意した。
金型には図５に示すような６３．５ｍｍ×８５ｍｍの長方形断面形状を有するものを使用し、図６に示すような外観形状に成形した。なお、バルジ長さは１７０ｍｍである。型締め力は１１０ｔｏｎとし、潤滑油として粘度６０ｍｍ2／ｓ（４０℃）のものを使用した。さらに、軸押し装置をして最大６０ｔｏｎのプレス装置を使用した。
そして、最終成形内圧は６０ＭＰａ、最終両管端軸押込み量を７５ｍｍ、目標コーナー部を２１Ｒ以内とした。
【００２３】
供試材として使用する鋼規格ＳＴＡＭ４４０Ｇの外径６３．５ｍｍ，肉厚２．０ｍｍ，管軸方向ｒ値１．０，長さ４００ｍｍの鋼管は従来から用いられている素管であり、成形可能範囲は求められている。この場合、図７に示す通りになっている。
そこで、図７中ｍで示される負荷経路を採用して潤滑油を用いることなくハイドロフォーミングを行った。
すなわち、前述のＧ（ＭＰａ／ｍｍ）を２として、昇圧と軸押し込みを開始し、内圧が３０ＭＰａに、両管端の軸押込み量が１５ｍｍに達した後、Ｇを０．５に変えて成形を進め、最終成形内圧６０ＭＰａ，最終両管端軸押込み量７５ｍｍに達した時点で成形を終了した。
この場合、最終成形内圧及び最終両管端軸押込み量の組合せ点は所望コーナーＲの線よりも上方に位置するため、形状不良を発生することなく、所望コーナーＲの製品を円滑にハイドロフォーミングすることができた。
【００２４】
次に、管軸方向のｒ値が１．０で板厚１．６ｍｍの素管を用い、前記と同様に図７中にｍで示す負荷経路で内圧の付与と軸押し込みを行なった。この成形条件では、負荷経路が割れ限界線Ｗを横切ったためか、割れが発生していた。
さらに、管軸方向のｒ値が１．２２で板厚１．６ｍｍの素管を用い、前記と同様に図７中にｍで示す負荷経路で内圧の付与と軸押し込みを行なった。この成形条件では、割れやしわを生じることなく、外観的に問題のない成形品が得られた。しかしながら、ｒ値が大きくなっているために、所望コーナーＲ線が上方に移動し、最終成形内圧及び最終両管端軸押込み量の組合せ点が移動したコーナーＲ線の下側に位置し、コーナーＲは２３Ｒまでにしかなっておらず、目標とする２１Ｒ以下にはなっていなかった。
【００２５】
次に、管軸方向のｒ値が１．０で板厚１．６ｍｍの素管と、管軸方向のｒ値が１．２２で板厚１．６ｍｍの素管を用い、いずれの素管にも厚さ７０μｍのポリオレフィンフィルムを貼り付けてハイドロフォーミングに供した。負荷経路は上記と同じｍを採用した。
管軸方向のｒ値が１．０で板厚１．６ｍｍの素管では、表面潤滑処理を施しても、割れが発生していた。
一方、管軸方向のｒ値が１．２２で板厚１．６ｍｍの素管では、表面潤滑処理を施すことにより、所望コーナーＲ線が下方に大きく移動し、コーナーＲは２０Ｒにまで小さくなっていて、目標に到達していた。
以上の結果をまとめると、表１のようになる。
【００２６】
2005262240.tif 000003
【産業上の利用可能性】
【００２７】
以上に説明したように、高強度で薄肉の素管をハイドロフォーミングする際には、管軸方向のｒ値を極力高くして用いるとともに、素管表面に潤滑処理を施して成形を行なうと、割れやしわ座屈を生じさせることなく、所望コーナーＲの外観の奇麗な成形品が得られる。
したがって、本発明により、高強度，かつ薄肉の素管を使用しても、不良品を出すことなく外観が奇麗なハイドロフォーミング成形品を得ることができ、軽量で信頼性が高い自動車部品等を低コストで提供できることになる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】ハイドロフォーミング方法の概略を説明する図
【図２】負荷経路Ｇの違いにより割れ限界線およびしわ座屈限界線の作成手順を説明する図
【図３】割れやしわあるいは座屈を発生させることなく成形可能な条件範囲を説明する図
【図４】割れやしわあるいは座屈を発生させることのない負荷経路を説明する図
【図５】実施例で用いた金型の断面形状を説明する図
【図６】実施例で成形する成形品形状を説明する図
【図７】図６に示す形状の成形品をハイドロフォーミングする際の負荷経路を説明する図
【符号の説明】
【００２９】
１：管体      ２：上金型      ３：下金型      ４：押込み軸      ５：液体      Ｗ：割れ限界線      Ｓ：しわ座屈限界線      Ｒ：目標コーナーＲ限界線      Ｐ：成形可能条件範囲      Ｇ，ｍ：負荷経路
【図１】
2005262240.tif 000004
【図２】
2005262240.tif 000005
【図３】
2005262240.tif 000006
【図４】
2005262240.tif 000007
【図５】
2005262240.tif 000008
【図６】
2005262240.tif 000009
【図７】
2005262240.tif 000010