(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属管を分割した金型に装着し、型締めした後で、前記金属管に内圧と管軸方向押し込み力を負荷するハイドロフォーム加工方法において、第１ハイドロフォーム工程で前記金属管断面の一方向に前記金属管を拡管させて周長を増加させた後で、第２ハイドロフォーム工程で前記金属管断面において前記一方向と直角方向に前記金属管を拡管させて、更に周長を増加させ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】
前記第１ハイドロフォーム工程で金属管を金属管断面の一方向に拡管させた後で、前記第２ハイドロフォーム工程で最終製品形状の金型に装着し、前記金属管断面において前記一方向と直角方向に金属管を拡管する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】
金属管を分割した金型に装着し、型締めした後で、前記金属管に内圧と管軸方向押し込み力を負荷するハイドロフォーム加工方法において、第１ハイドロフォーム工程で前記金属管断面の一方向に前記金属管を拡管させて周長を増加させた後で、第２ハイドロフォーム工程で前記金属管断面において前記一方向と直角方向に金属管を拡管させて、更に周長を増加させ中間製品とし、第３ハイドロフォーム工程でその中間製品を最終製品形状の金型に装着し、ハイドロフォーム加工することを特徴とするハイドロフォーム加工方法。
【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、金属管を分割した金型に入れ、当該金型を型締めした後、金属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とプレス加工を比較した際、技術的にハイドロフォーム加工の方が優れる点の一つに、大変形が可能であるということが挙げられる。図１にハイドロフォーム加工（●印）とプレス加工（□印）において発生する歪状態図を示す。一般にプレス加工では、等２軸引張状態から平面歪状態を経て単軸引張状態までの領域で変形が行われる。等２軸引張状態とは、Ｘ方向の引張歪がＸ方向と直角方向の引張歪と等しく働く状態をいい、平面歪状態とは、Ｘ方向の歪が０で、Ｘ方向と直角方向の引張歪のみ働く状態をいい、単軸引張状態とは、Ｘ方向の引張応力が０で、Ｘ方向と直角方向の引張応力のみ働く状態をいう。従って、プレス加工では材料の成形限界から見ると変形能が少ない領域での変形となり、特に平面歪状態で歪が進行すると破断しやすい。それに対し、ハイドロフォーム加工では内圧を負荷すると同時に軸押しを負荷するため、材料に剪断変形を与えることが可能になり、歪の状態も単軸引張から純粋剪断状態の領域で変形が進行する。純粋剪断状態とは、Ｘ方向の圧縮歪がＸ方向と直角方向の引張歪と等しく働く状態をいう。従って、材料の成形限界から見ると、変形能が非常に広い領域での加工となるため、その結果、大変形が可能になる。すなわち言い換えると、ハイドロフォーム加工で大変形の加工を実現するためには、いかに純粋剪断側に歪の状態をもっていくかにかかっていると言っても過言ではない。
【０００４】
純粋剪断側で変形させるには、単純に軸押しを積極的に負荷させることが効果的であることは言うまでもない。しかし、単純に軸押しを増加させると当然座屈という問題が発生する。この座屈を防止するには内圧を高めることが効果的であるが、内圧を高めると言うことは、歪状態が剪断側から平面歪側に移動することを意味するため、破断しやすくなる。従って、図２のように金型がない自由バルジにおいては、座屈を起こさないためには単軸引張状態よりも平面歪側でしか成形できない（森ら：塑性と加工 vol.29 no.325(1988) p.131より抜粋）。
【０００５】
それでは前述の図１のようなＴ−成形（ハイドロフォーム加工）で剪断変形が実現できていた理由は、金型の拘束による効果のためである。周囲に金型が存在するため、自由バルジの場合よりも座屈を抑制することが可能になる。また、金型があるため自由バルジの場合よりも内圧を高圧にすることが可能になり、それによって更に金型との密着が高まり、座屈抑制に効果がある。このようにＴ−成形においては、金型の存在ゆえに座屈を抑えながら剪断変形を実現することができるため、大変形が可能になる。
【０００６】
またＴ−成形以外にも、剪断変形させやすい形状として図３のような例がある。しかし、これらの例に共通していることは、何れもある１つの面上で拡管或いは枝管張出しをしているという点である。例えば、長方形拡管の例では、素管をＹＺ平面上でＹ方向にのみ拡管しており、Ｚ方向には拡管していない。
【０００７】
上記に対し、図４の例では、拡管する方向が１つの面上だけに制限されていない。例えば正方形拡管や半球拡管の例では素管をＹＺ平面上で、Ｙ方向に拡管するだけでなくＺ方向にも拡管している。このような例では、素管の一部が金型に接触するまでは、自由バルジと同じ状態になるため、座屈を起こさずに剪断変形を実現することができなくなり、その結果、拡管率は大きくできなかった。
【０００８】
本発明は、上述のように、面内で拡管する方向が一方向に制限されない形状の部品をハイドロフォームによって加工することを可能にしたハイドロフォーム加工方法及びハイドロフォーム用金型を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
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）金属管を分割した金型に装着し、型締めした後で、前記金属管に内圧と管軸方向押し込み力を負荷するハイドロフォーム加工方法において、第１ハイドロフォーム工程で前記金属管断面の一方向に前記金属管を拡管させて周長を増加させた後で、第２ハイドロフォーム工程で前記金属管断面において前記一方向と直角方向に前記金属管を拡管させて、更に周長を増加させることを特徴とするハイドロフォーム加工方法。
（２）前記第１ハイドロフォーム工程で金属管を金属管断面の一方向に拡管させた後で、前記第２ハイドロフォーム工程で最終製品形状の金型に装着し、前記金属管断面において前記一方向と直角方向に金属管を拡管する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。
（３）金属管を分割した金型に装着し、型締めした後で、前記金属管に内圧と管軸方向押し込み力を負荷するハイドロフォーム加工方法において、第１ハイドロフォーム工程で前記金属管断面の一方向に前記金属管を拡管させて周長を増加させた後で、第２ハイドロフォーム工程で前記金属管断面において前記一方向と直角方向に金属管を拡管させて、更に周長を増加させ中間製品とし、第３ハイドロフォーム工程でその中間製品を最終製品形状の金型に装着し、ハイドロフォーム加工することを特徴とするハイドロフォーム加工方法。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図５は正方形拡管の例であるが、この例を用いて本発明の詳細を説明する。まず、金属管１を下金型２に装着し、上金型３を閉める。この時、金型２、３の空洞部の形状は、金属管１の径に対して、水平方向にのみ拡管させて周長が増加するような形状にし、垂直方向には拡管されないような形状にしておく。次に、セットされた管１の内部に内圧を負荷すると同時に左右の端部を軸押しパンチ４、５で管軸方向に押し込み、中間製品６の形状まで仕上げる。このように、垂直方向に拡管しないように水平方向のみ拡管すると、材料に剪断変形を負荷することが可能になり、大きな拡管率まで成形できる。ここまでを、第１ハイドロフォーム工程とする。
【００１１】
次に、中間製品６を第１ハイドロフォーム金型２、３から取り出し、最終製品形状に対応する別の下金型７に装着し、別の上金型８を閉める。この時、金型７、８の空洞部の形状は、中間製品６の形状に対して、垂直方向にのみ拡管させて、更に周長が増加するような形状にし、水平方向には拡管されないような形状にしておく。次に、セットされた中間製品６の内部に内圧を負荷すると同時に左右の端部を軸押しパンチ９、１０で管軸方向に押し込み、最終製品１１の形状まで仕上げる。この第２ハイドロフォーム工程では、水平方向に拡管しないように垂直方向のみ拡管しているため、やはり第１ハイドロフォーム工程と同様に、材料に剪断変形を負荷することが可能になり、大きな拡管率まで成形できる。この結果、最終的には、管１に対して水平方向および垂直方向とも拡管された最終製品１１が完成させる。
【００１２】
上記の例では、第１ハイドロフォーム工程で水平方向に拡管し、第２ハイドロフォーム工程で垂直方向に拡管したが、当然その逆でも構わなく、すなわち、第１ハイドロフォーム工程で垂直方向、第２ハイドロフォーム工程で水平方向に拡管しても、本発明の効果を同様に得ることができる。
また、第１ハイドロフォーム工程で成形した中間製品を第２ハイドロフォーム工程にセットする際に、同じ向きに入れる必要はなく、例えば９０°傾けた方向で中間製品をセットしても良い。この場合、第２ハイドロフォーム工程の金型空洞部の方向は、第１ハイドロフォーム工程の金型空洞部の方向と同じになる。
【００１３】
また、成形中のバーストや座屈を防ぎ拡管率を上げる方法に図６のようなカウンターパンチや管軸方向に可動する可動金型等がある（SchulerのMetal Forming Handbookより抜粋）が、それらの方法を各ハイドロフォーム工程に使用すると、各工程における拡管率を更に上げることが可能になり、最終的な拡管率も更に向上できる。
【００１４】
図７の例は、第１ハイドロフォーム工程でカウンターパンチ１２、１３を、第２ハイドロフォーム工程で可動金型１４、１５、１６、１７を使用した例である。
また図５の例では、第１ハイドロフォーム工程と第２ハイドロフォーム工程とで別々の金型を用いて加工したが、これを同一金型２０、２１内で加工した例が図８である。一対の金型２０、２１は金属管１が拡管可能な空洞部を水平方向に有し、空洞部に対応する拡管方向と直角方向（上下方向）に、成形初期の金属管外面から最終形状の金属管外面まで位置制御自在な可動金型２４、２５を有する。このようにすると、金型機構は複雑になるが、金型数が削減できてコスト的には有利である。
また、一体型金型においても図６の例のようなカウンターパンチや可動金型を併用すると、より大きな拡管率まで成形可能になり有利な成形となる。
【００１５】
上述のいずれの例も、水平方向に拡管している際には垂直方向の拡管を制限しており、また垂直方向に拡管している際には水平方向の拡管を制限しているため、どうしても最終製品形状は単純な形状になってしまう場合が多い。そこで、自動車部品のように複雑な形状に仕上げるには更にもう一工程加えると有効である。すなわち、上述の第１・第２ハイドロフォーム工程（或いは一体型金型による加工工程）によって最終製品相当の拡管率まで管を拡管し、中間製品２６とした後で、最終部品形状の金型に装着し、形状のみ整えるような第３ハイドロフォーム加工を行う（図９参照）。当該方法により複雑形状でかつ拡管率の大きな部品のハイドロフォーム加工も可能になる。中間製品２６の成形は第1、第２ハイドロフォーム工程を同一の金型で実施しても良い。
金属管として、鋼管、ステンレス管、アルミニウム管、チタン管等を使用できる。
【００１６】
【実施例】
下記に本発明の実施例を示す。
素管は、外径６３．５mm、板厚２．３mm、長さ５００mm、材質ＪＩＳ規格ＳＴＫＭ１１Ａ（機械構造用炭素鋼鋼管）を用いた。図１０に示すように、加工する製品形状としては、正方形に拡管する形状で、正方形の１辺の長さを１５０mm、コーナーＲは８mm、拡管部の管軸方向長さを１００mmとした。
【００１７】
まず、第1ハイドロフォーム工程において、水平方向に拡管し中間製品を得た。その際、軸押し量は、左右とも５０mmで内圧は最大３０MPaで成形した。この第1ハイドロフォーム工程により、素管径に対して約２．１倍に拡管された。
次に、上記で成形された中間製品を最終製品形状となる第２ハイドロフォーム金型に装着し、垂直方向に拡管した。その際、軸押し量は、左右とも４０mmで内圧は最大３６MPaで成形した。この第２ハイドロフォーム工程により、素管径に対して約２．９倍に拡管された。
【００１８】
また、比較のため、本発明のような方法でない従来方法でも成形を行った。すなわち、第１ハイドロフォーム工程を省略し、素管を、第２ハイドロフォーム工程の金型に直接挿入して成形した。その結果、軸押しと内圧をどんなに調整しても、拡管箇所の金型まで接触することもなく、バーストあるいは座屈が生じて成形ができなかった。
【００１９】
【発明の効果】
本発明により、従来バーストや座屈がネックとなり加工できなかった大拡管率のハイドロフォーム加工が可能になり、その結果ハイドロフォーム適用部品の範囲が拡大する。それにより、冒頭に述べたような自動車部品のコスト削減や軽量化の効果に寄与できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】プレス加工とハイドロフォーム加工における歪状態の説明図。
【図２】自由バルジ加工における成形限界の説明図。
【図３】剪断変形に適した場合のハイドロフォーム形状例の説明図。
【図４】剪断変形が困難な場合のハイドロフォーム形状例の説明図。
【図５】本発明のハイドロフォーム加工方法例の説明図。
【図６】カウンターパンチと可動金型の説明図。
【図７】本発明のハイドロフォーム加工方法にカウンターパンチや可動金型を併用した場合の説明図。
【図８】本発明の一体型金型を用いたハイドロフォーム加工方法例の説明図。
【図９】本発明の第３ハイドロフォーム工程を追加したハイドロフォーム加工方法例の説明図。
【図１０】本発明の実施例の説明図。
【符号の説明】
１    金属管
２    第１ハイドロフォーム工程下金型
３    第１ハイドロフォーム工程上金型
４    第１ハイドロフォーム工程左軸押しパンチ
５    第１ハイドロフォーム工程右軸押しパンチ
６    第１ハイドロフォーム工程後の中間製品
７    第２ハイドロフォーム工程下金型
８    第２ハイドロフォーム工程上金型
９    第２ハイドロフォーム工程左軸押しパンチ
１０  第２ハイドロフォーム工程右軸押しパンチ
１１  最終製品
１２  第１ハイドロフォーム工程前側カウンターパンチ
１３  第１ハイドロフォーム工程後側カウンターパンチ
１４  第２ハイドロフォーム工程左下側可動金型
１５  第２ハイドロフォーム工程右下側可動金型
１６  第２ハイドロフォーム工程左上側可動金型
１７  第２ハイドロフォーム工程右上側可動金型
１８  第２ハイドロフォーム工程左側金型軸押し工具
１９  第２ハイドロフォーム工程右側金型軸押し工具
２０  第１第２工程一体型下金型
２１  第１第２工程一体型上金型
２２  第１第２工程一体型左軸押しパンチ
２３  第１第２工程一体型右軸押しパンチ
２４  第１第２工程一体型前側カウンターパンチ（可動金型）
２５  第１第２工程一体型前側カウンターパンチ（可動金型）
２６  第２ハイドロフォーム工程後の中間製品
２７  第３ハイドロフォーム工程下金型
２８  第３ハイドロフォーム工程上金型
２９  第３ハイドロフォーム工程左軸押しパンチ
３０  第３ハイドロフォーム工程右軸押しパンチ
【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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