(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
外径Ｄa（mm）、板厚ｔa（mm）、管軸方向のｒ値ｒLa、周方向のｒ値ｒCa、管軸方向引張試験から得られる耐力ＹＳLa（Ｎ／mm2）を有する金属管を用いて、内圧Ｐa（MPa）と軸押し量δ（mm）との関係がＰa＝f（δ）で表わされる加工経路で製造するハイドロフォーム加工方法において、金属管のサイズおよび材料特性が外径Ｄb（mm）、板厚ｔb（mm）、管軸方向のｒ値ｒLb、周方向のｒ値ｒCb、管軸方向引張試験から得られる耐力ＹＳLb（Ｎ／mm2）を有する管材に変更された場合、下記（５）式で定義される係数ΔＫを用いてＰb＝ΔＫf（δ）で算出される内圧Ｐbに変更して加工することを特徴とするハイドロフォーム加工方法。
【数１】
0003927428.tif 000011
【請求項２】
金属管を用いて、内圧Ｐa（MPa）と軸押し量δ（mm）との関係がＰa＝f（δ）で表わされる加工経路で製造するハイドロフォーム加工装置において、初期の金属管の外径Ｄa（mm）、板厚ｔa（mm）、管軸方向のｒ値ｒLa、周方向のｒ値ｒCa、管軸方向引張試験から得られる耐力ＹＳLa（Ｎ／mm2）及び変更後の金属管の外径Ｄb（mm）、板厚ｔb（mm）、管軸方向のｒ値ｒLb、周方向のｒ値ｒCb、管軸方向引張試験から得られる耐力ＹＳLb（Ｎ／mm2）の値を入力する入力手段と、それらの値を記憶する記憶手段と、前記記憶手段に記憶された数値から（４）式で定義される係数Ｋを算出し、更に（５）式で定義される係数ΔＫを算出する演算手段と、前記演算手段で算出された係数ΔＫを用いてＰb＝ΔＫf（δ）で算出される内圧Ｐbに変更して加工する制御手段を有することを特徴とするハイドロフォーム加工装置。
【数２】
0003927428.tif 000012
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動車用の排気系部品やサスペンション系部品等の製造に用いられるもので、管を分割した金型に入れ、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及び加工装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
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、欧米では数年前から既に実車に採用され、国内でも１９９９年から実車への適用も開始した。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】
【発明が解決しようとする課題】
ハイドロフォーム加工では、管内に負荷される内圧（以降、単に内圧と称す）と管端を管軸方向に押し込む量（以降、単に軸押し量と称す）の組み合わせによって成形形状の良し悪しが決定される。しかもその両者の単純な組み合わせだけでなく、その途中の負荷経路による影響も大きい（図１参照）。加工不良の例としては、成形途中で管が破裂するバースト（図１中、×印）のほか、しわの発生（同、△印）や所定のコーナーＲまで成形できない等の不良もある。このハイドロフォームにおける内圧と軸押し量の加工負荷経路（以降、単に加工経路と称す）の最適な条件は、部品形状によって変わるだけでなく、素管のサイズや材料特性によっても大きく異なる。
【０００４】
一方、ハイドロフォーム用素管には鋼管（主に電縫鋼管）やアルミ押し出し管等の金属管が用いられるが、そのサイズや材料特性は必ずしも一定ではなく、特にその製造ロットが変わると変動する量は大きくなる。もちろん、ＪＩＳ規格等の規格の範囲内での変動ではあるが、ハイドロフォーム加工が難しいような部品形状になると、そのような変動でも加工不良が増加する例がしばしばある。加工不良が発生した場合、新しいロットに適した加工経路を探索し、製造すれば良いわけであるが、従来その適正な加工経路を見出すのにはかなりの熟練と試行錯誤を伴うため多大な労力と時間と材料を必要としていた。
【０００５】
本発明は、上述のような素管のサイズや材料特性が変化した際にも安定したハイドロフォーム加工が可能になるようなハイドロフォーム加工方法および加工装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の要旨は下記の通りである。
（１）  外径Ｄa（mm）、板厚ｔa（mm）、管軸方向のｒ値ｒLa、周方向のｒ値ｒCa、管軸方向引張試験から得られる耐力ＹＳLa（Ｎ／mm2）を有する金属管を用いて、内圧Ｐa（MPa）と軸押し量δ（mm）との関係がＰa＝f（δ）で表わされる加工経路で製造するハイドロフォーム加工方法において、金属管のサイズおよび材料特性が外径Ｄb（mm）、板厚ｔb（mm）、管軸方向のｒ値ｒLb、周方向のｒ値ｒCb、管軸方向引張試験から得られる耐力ＹＳLb（Ｎ／mm2）を有する金属管に変更された場合、下記（５）式で定義される係数ΔＫを用いてＰb＝ΔＫf（δ）で算出される内圧Ｐbに変更して加工することを特徴とするハイドロフォーム加工方法。
【数３】
0003927428.tif 000002
【０００７】
（２）  金属管を用いて、内圧Ｐa（MPa）と軸押し量δ（mm）との関係がＰa＝f（δ）で表わされる加工経路で製造するハイドロフォーム加工装置において、初期の金属管の外径Ｄa（mm）、板厚ｔa（mm）、管軸方向のｒ値ｒLa、周方向のｒ値ｒCa、管軸方向引張試験から得られる耐力ＹＳLa（Ｎ／mm2）及び変更後の金属管の外径Ｄb（mm）、板厚ｔb（mm）、管軸方向のｒ値ｒLb、周方向のｒ値ｒCb、管軸方向引張試験から得られる耐力ＹＳLb（Ｎ／mm2）の値を入力する入力手段と、それらの値を記憶する記憶手段と、前記記憶手段に記憶された数値から（４）式で定義される係数Ｋを算出し、更に（５）式で定義される係数ΔＫを算出する演算手段と、前記演算手段で算出された係数ΔＫを用いてＰb＝ΔＫf（δ）で算出される内圧Ｐbに変更して加工する制御手段を有することを特徴とするハイドロフォーム加工装置。
【数４】
0003927428.tif 000003
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の詳細を説明する。
ハイドロフォーム加工の適正な加工経路は部品によって異なるが、一般的には図２のような経路になる。すなわち、ステップ１では、軸押しはほとんどせず内圧のみ昇圧する。但し、この際、管端から水が漏れないよう、若干の軸押しを行う場合もある。次にステップ２では、軸押しと内圧を両方変化させる。ハイドロフォームの加工経路で最も難しいのが、このステップであり、単純に線形で負荷する場合もあるし、或いは折れ線や階段状などの経路を示す場合もある。最後にステップ３では、ほとんど軸押しせずに内圧のみ昇圧し、最終形状、特にコーナーＲの形成を行う。この一連の加工経路は、実験や解析の試行錯誤によって求められるが、素管のサイズや材料特性が変化した際の加工経路の修正方法に関して以下に説明する。
【０００９】
まず加工経路の修正方法としては、内圧を変える方法と軸押し量を変える方法の２つが考えられる。但し後者の方法である、軸押し量、特に最終的な軸押し量を変えるためには初期の素管長さを変える必要がある。素管長さを変えないと最終製品長さが変わってしまうからである。しかし、素管の製造ロットが変わるたびに長さを変更することは素管の受け入れ側も納入側も管理が複雑になり、現実的ではない。従って、加工経路の修正方法としては内圧のみを変えるのが現実的であり、管理も容易となる。
【００１０】
適正な内圧に修正するには、素管のサイズや材料特性のうち、何が効いてくるのか、またハイドロフォームの加工限界には、上述のようにバーストだけでなく、しわやコーナーＲなどもあるが、それらすべて満足するにはどうしたら良いかが、従来は困難であり、熟練者によってその都度試行錯誤を繰り返してきた。そこで本発明者らは、それらの各種加工限界に及ぼす影響因子について調査した。その結果、各種加工限界に影響する因子としては、外径Ｄ（mm）、板厚ｔ（mm）、管軸方向のｒ値ｒL、周方向のｒ値ｒC、管軸方向引張試験から得られる耐力ＹＳL（Ｎ／mm2）の５つの因子であることが判明した。しかも、それら５つの因子より計算される平面歪状態下における降伏開始圧力Ｐp（MPa）との相関が高いことが明らかになった。降伏開始圧力Ｐpは、Ｈｉｌｌの直交異方性の降伏条件式より、（１）式で表わされる。
【数５】
0003927428.tif 000004
【００１１】
すなわち、ハイドロフォーム加工の適正な内圧は、（１）式で得られる平面歪状態下における降伏開始圧力Ｐpに比例すると考えられる。例えば、材料ａと材料ｂにおける上記の５つの因子がそれぞれＤa（mm）、ｔa（mm）、ｒLa、ｒCa、ＹＳLa（Ｎ／mm2）、Ｄb（mm）、ｔb（mm）、ｒLb、ｒCb、ＹＳLb（Ｎ／mm2）とした場合、材料ａ・材料ｂの平面歪状態下における降伏開始圧力Ｐpa、Ｐpbはそれぞれ次式のように表わされる。
【数６】
0003927428.tif 000005
【００１２】
上式より、平面歪下における降伏開始圧力における材料ａに対する材料ｂの比率をＫとすると、Ｋは次式のように表わされる。
【数７】
0003927428.tif 000006
【００１３】
従って、材料ａにおいて適正な加工経路がＰa＝f（δ）で表わされる内圧Ｐaの曲線だった場合、材料ｂでは、（４）式から得られる係数Ｋを用いてＰb＝Ｋf（δ）で表わされる内圧Ｐbの曲線に変更すると、材料ｂの適正な加工経路となる（図３参照）。
【００１４】
更に、工業的に考えた場合、（５）式に示すように、Ｐb＝ΔＫ（δ）で表わされる内圧Ｐbの曲線に変更すると、材料ｂの適正な加工経路となる。ｍが０．５より小さくても１．５を超えても適正な加工ができない。
【数８】
0003927428.tif 000007
【００１５】
上記のような一連の方法を用いてロット毎に加工経路を修正すれば、ハイドロフォーム加工における不良を大幅に減らすことが可能になる。また、そのような修正作業を装置のソフトに組み入れれば、ロット毎のサイズや材料特性のデータを入力するだけで自動的に加工経路を変更し、加工不良が大幅に削減した操業が可能になる。
【００１６】
【実施例】
下記に本発明の実施例を示す。ハイドロフォーム後の形状としては、図４のような拡管部の断面が長方形の形状である。素管は、公称寸法で外径６３．５mm、板厚２．３mmのサイズの鋼管を用い、鋼種はＪＩＳ規格のＳＴＫＭ１１Ａ（機械構造用炭素鋼鋼管）を採用した。但し、ロットの異なる▲１▼，▲２▼，▲３▼，▲４▼を用いてハイドロフォーム加工を行った。各ロットにおける素管の正確なサイズ及び材料特性は表１の通りである。
【００１７】
まず材料▲１▼でバーストも起きず、最終形状もしわがなくコーナーＲも目標の値２０mmになるような適正な加工経路を図５のように求めた。これと同一条件のまま▲２▼，▲３▼，▲４▼のロットでも同様にハイドロフォーム加工を行った結果を表２に示す。次に、本発明のように▲２▼，▲３▼，▲４▼のロットを加工する際に、各ロットのサイズ及び材料特性値より係数Ｋをそれぞれ算出し、その係数Ｋを用いて係数ΔＫを算出し、係数ΔＫを用いて修正した加工経路で成形した例を表３に示す。
表２、３に示すように、本発明による方法を使用すると全てのロットで加工不良が起きずに良好なハイドロフォーム部品が得られた。
【００１８】
【表１】
0003927428.tif 000008
【００１９】
【表２】
0003927428.tif 000009
【００２０】
【表３】
0003927428.tif 000010
【００２１】
【発明の効果】
本発明により、ハイドロフォームの部品量産時のロット変動によって発生する加工不良を大幅に削減することができる。また従来ロット変動時に不良が多発した際、多大な労力・時間・材料を浪費していたが、本発明による方法を用いるとその浪費が解消され、労働生産性が向上する。また、装置に本発明のソフトを組み込んで自動的に条件変更可能にすれば、従来必要であったハイドロフォームの熟練技術者が不要になり、ハイドロフォーム加工の汎用性を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ハイドロフォームの加工経路によって発生する加工不良の説明図。
【図２】一般的なハイドロフォームの加工経路の説明図。
【図３】本発明のハイドロフォーム加工経路修正方法の説明図。
【図４】本発明の実施例として使用したハイドロフォーム金型の説明図。
【図５】本発明の実施例における基本となるハイドロフォーム加工経路の説明図。
【符号の説明】
１………金属管                  ２………ハイドロフォーム金型
【図１】
0003927428.tif 000013
【図２】
0003927428.tif 000014
【図３】
0003927428.tif 000015
【図４】
0003927428.tif 000016
【図５】
0003927428.tif 000017