(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
薄肉中空材をプレス機等で軸方向に圧縮加工し、開放型又は密閉型の中で圧縮方向と交叉する側方外方へ変形させて加工する薄肉中空材のバルジ加工方法において、薄肉中空材の内孔に、塑性変形する固体からなる塑性変形体の充填物を充填し、薄肉中空材と共に、座屈による折れ変形と張り出し変形とによって前記側方外方へ拡張変形させ、加工後に充填物を融解または溶解により除去する際に、前記拡張変形では、薄肉中空材の内面と固体充填物の間に大きな摩擦力を生じさせ、充填物の塑性変形による大変形によって大きく側方へ押し出すことを特徴とするバルジ加工方法。
【請求項２】
請求項１の方法において、充填物として薄肉中空材より低融点の塑性変形体を用い、その除去が融解または溶解により可能な充填物を用いることを特徴とするバルジ加工方法。
【請求項３】
請求項１又は２の方法において、充填物として、薄肉中空材に対して接着性のある材料を使用するか、又は薄肉中空材と充填物の間を接着剤を用いて接着した充填物を使用することを特徴とするバルジ加工方法。
【請求項４】
請求項１又は２の方法において、内面を粗面に形成するか、又は突起を形成した薄肉中空材を使用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】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この出願の発明は、薄肉部材のバルジ加工に関し、より詳細には、薄肉部材のバルジ加工に充填物を使用し、成形限界の改善と製造の効率化を図ることのできる薄肉部材のバルジ加工装置、加工方法及び薄肉部材の加工時に使用する充填材に関するものである。
【０００２】
【従来の技術の問題点】
従来から、金属製パイプ又はチャンネル等の中空体を液圧バルジ加工をする場合において、図１３のような加工限界の結果を示し、一般に塑性歪み硬化係数ｎ値が大きくなればなるほど加工限界が向上することが知られている。しかし、実際には、ｎ値は材料に依存した値であり自由に選ぶことができるとは限らず、加工品に要求される材質と寸法値の関係によっては、成形限界のため張出変形途中で所定の寸法値に達しないうちに表面割れが生じるため、バルジ加工で製造できない場合があり、また加工効率の点からも問題を残していた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
この出願の発明は、上記の課題を解決し、成形限界を向上することにより、従来困難であった材質・寸法値におけるバルジ加工による成形を可能とし、また加工上の効率化を図ることを目的としている。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
この出願の発明は、バルジ加工方法として、パイプ、チャンネル等の薄肉中空材に塑性変形体を充填し、プレス機等で軸方向に圧縮加工し、開放型又は密閉型の中で充填物と共に材料を側方へ広がり変形させて加工する薄肉材のバルジ加工方法において、塑性変形する固体の塑性変形体からなる充填物を使用し、前記薄肉中空材と共に、座屈による折れ変形と張り出し変形とによって前記側方外方へ拡張変形させ、加工後に充填物を融解または溶解で除去する際に、前記拡張変形では、薄肉中空材の内面と固体充填物の間に大きな摩擦力を生じさせ、充填物の塑性変形による大変形によって大きく側方へ押し出すことを特徴としている。
さらにまた、このバルジ加工方法において、前記充填物の物性を特定して、充填物として薄肉中空材より低融点の塑性変形体を用い、その除去を溶融または溶解により可能とすることや、充填物として薄肉中空材に対して接着性のある材料を使用すること、又は薄肉中空材と充填物の間を接着剤を用いて接着した充填物を使用すること、あるいは内面を粗面に形成するか、又は突起を形成した薄肉中空材を使用することを特徴としてもいる。
【０００５】
以下、この出願の発明について、図面を用いてさらに詳細に説明する。
【０００６】
【発明の実施の形態】
充填する内容物としての使用上考慮される基本的条件は、一つは、充填物が、塑性変形又は遅延弾性による変形等の大変形をする固体であり、この場合、荷重を除いた後に変形が残っても構わない。他の一つは、充填物が、溶融、溶解、遅延弾性で除去可能であることである。さらに他の一つは、充填物の供給量が中空薄肉材料が２段座屈による捲き込みを生じない程度であることである。
【０００７】
このため、薄肉材料は張り出すことによって生じる空孔の広がりに対して十分供給可能な量の充填材を備えて加工するか、又は充填物の量が十分な寸法で加工が行われるようにする。これは、本発明の加工では、充填物の押し出し量が多いほど、長手方向の押し潰ぶしが回避できるので有利であり、座屈による折れ変形と張り出し変形の組み合わせによって加工限界が向上するからである。しかし、あまり充填物の押し出し量が多過ぎると、張り出し成形の占める要因が強くなって加工限界が低下することが予想される。そこで、成形部の長手方向長さに短い寸法の加工、例えば押し出し部長さが短い加工が要求される製品の場合には、逆に充填物をあまり押さないように工夫してバランスをとることにより加工限界を向上できるように、充填物の量が十分な寸法で加工が行われる。
【０００８】
他の実施形態として、例えば、薄肉材料の成形限界を向上するための方法としては、充填物として、薄肉材料に対して接着性のある材料を使用するか、又は薄肉材料と充填物の間を接着剤を用いて接着する方法がある。この場合、成形限界向上の理由の一つとして、摩擦や接着性の向上により、加工時における充填物と薄肉材の摩擦が増大し、周方向及び子午線方向の応力が減じられ、かつ、薄肉材の変形末期における局部薄肉化の急激な進展を抑制することが考えられる。
【０００９】
さらに両部材間の摩擦性、接着性を増大させるための方法としては、薄肉材料の内壁を、ショットブラスト、ショットピーニング、やすり、砥石、砥粒、金属ブラシ、腐食液等により粗面を形成したり、また、薄肉材料の内面に突起を形成して充填物に食い込ませる構造とすることによっても得られる。
【００１０】
充填物を使用するバルジ加工において、加工装置においては次の手段を採ることができる。
（１）図３に示すように、充填物（６）の中に中空部（６ａ）を設けることにより、押出部長さが短い場合、圧縮工程において、充填物による押し広げと、軸圧縮による薄肉材料の広がり変形のバランスを調整することで成形限界を向上し効率的に成形する。
（２）図４（ａ）に示すように、中空部に心金を入れることにより、側方方向に効率よく材料を流動させることができる。さらに、図４（ｂ）に示すように、心金形状に膨らみを持たせることによって、充填物を同一のパンチストローク長さに対してより大量に押し出し方向に誘導することができる。
（３）充填材の供給量が十分でなく解放構造の型（上型底面や下型上面）に被加工素材が完全に接触しない場合にあっては、密閉構造の型を使用して、加圧し続けることにより、型内に被加工素材、充填材を充満させることがきる。
（４）充填物として、形状記憶物質又はその構造物（かご状）を使用することもできる。
（５）充填材料の充填物による押し広げと、軸圧縮による薄肉材料の広がり変形のバランスを調整するために、図３に示した、充填物中空部（６ａ）を設けた充填物を使用する他に、図８に示すように、別々のパンチ（３１、３２）を用いて充填物と薄肉材料を別々に圧縮することによっても、同様の作用を得ることができる。この図８に示す別々の圧縮パンチを用いる場合、下方向からの荷重を加えるときにも同様の機構を採用することができる。
【００１１】
別々のパンチを用いる場合、薄肉材料は張り出すことによって生じる空孔の広がりに対して十分供給可能な量の充填材を備えて加工すると、被加工物より充填物を多めのストロークで押し出すことができ、成形部の長手方向長さの向上を図ることができる。
（６）図５に示すように、パンチ（３）又は（４）に逃げ（３ａ、４ａ）を設け、圧下中に充填物（６）を図面上方に（５図（ａ））、下方に（５図（ｃ））、又は上下方向に（５図（ｂ））、それぞれ材料を逃がすことにより、また、図６に示すように、圧下中に薄肉材料（５）を覆い部（６ｂ）を介して圧縮することにより、充填材料（６）による薄肉材料（５）の押し広げと、軸圧縮による薄肉材料（５）の広がり変形のバランスを調整することで成形限界を向上し効率的に成形することができる。
【００１２】
パンチの圧縮箇所は上方又は下方の一方、上下両方のいずれを選択してもよく、また、覆い部（６ｂ）は被加工物である薄肉材料（５）の一方の端口、又は両方の端口に形成される。
（７）図９に示すように、上型とパンチを一体化した上型（１１）とし、据え込みによって変形させ、据え込み限界を超える場合には工程を分割することにより、型構造を簡単にすることができる。図８に示した分割パンチに適用する場合には、上型（１）をパンチ（３１）と一体化して加圧することもできる。
【００１３】
なお、パンチによる圧縮を、上下パンチの両方によるか、上下いずれか一方のパンチによるか、任意に選択される。
【００１４】
また、加工の効率化を図るために次の手段を採ることができる。
（１）本加工の前又は後加工として、充填物のみを圧縮する加工を行うことにより、効率よく型内に材料を充満させることができる。
【００１５】
例えば、図７に示すように、先端パンチ状の突起（３ｂ）若しくは窪み（３ｃ）を設けることにより、加工開始初期に、充填物もしくは薄肉材料を重点的に変形させ、効率よく型内に材料を充満させることができる。
【００１６】
突起付きパンチによれば、初期に充填物のみを圧縮し、次いで充填物と薄肉材料を同時に圧下して加工する。また、図１１に示すように、半搾孔付きパンチによれば、初期に薄肉材料のみを圧縮し、次いで充填物と薄肉材料を同時に圧下して加工する。
（２）また、図１０に示すように、薄肉材料の表面に予め切れ込み（９）を入れておくことにより、効率よく材料を充満させることができる。
（３）本加工の最中に、充填物の一部又は全体を液化し、全体を成形しながら一部に液圧加工を加えることもできる。
（４）本加工の前加工として、充填物の液化、又は半溶融状態として圧力媒体として用いて液圧加工を行い、その後、そのまま固化して本加工を行うことができる。
（５）本加工の後加工として、本加工後に、充填物の液化、又は半溶融状態にし、それぞれ圧力媒体として液圧加工を行うことができる。
【００１７】
被成形材に関するパイプ等の薄肉中空材、又はチャンネル等の長尺薄肉型材は、パイプ、チャンネルの薄肉材そのものであってもよいし、パイプ、チャンネル等の薄肉材を一部に備える薄肉部材であってもよい。
【００１８】
本発明のバルジ加工装置によれば、図１２（ａ）、（ｂ）に例示するように、薄肉中空材の外周に膨出管を形成して、継ぎ手管の素材として製作したり、膨出歯車を成形したりすることができる。
【００１９】
以上、パイプ、チャンネル等の薄肉材を少なくとも一部に備える被成形材料の加工について述べてきたが、板状部材、例えば半割り材等の加工についても応用できる。この場合加工装置は、例えば上述の各加工装置においてその半分がバルジ加工装置として組み立てられ、他の半分が固定基盤として構成される。
【００２０】
【実施例】
この出願の発明によるバルジ加工は、図１に示すように、薄肉材料（５）の内孔に、薄肉材料より融点の低い塑性変形体で固体の充填材（６）を充填し、バルジ成形加工装置の所定の加工位置に取付け、プレス機又はアップセッタ機等により、開放型（１、２）の中でパンチ（３、４）で圧縮し、充填物と共に被加工物の薄肉材料（５）を側方に広がり変形させることで、薄肉製品の加工を行う。充填材（６）は、加工後に融解され、除去される。なお、使用する型は密閉型であっても構わない。
【００２１】
この出願の発明によるバルジ加工において、薄肉材料（５）に、Ａ６０６３アルミニウム合金（３５０℃、８時間焼きなまし）製の系１６ｍｍφ、肉厚１ｍｍのパイプを使用し、充填材（３）に、Ｂｉ４９．０−Ｐｂ１８．０−Ｓｎ１２．０−Ｉｎ２１．０低融点合金を採用し、パイプに低融点合金を溶解、充填、凝固した後、側方押し出しした実験を行った。この実験の結果が図２に示される。ここで、Ａ６０６３焼きなまし材は、そのｎ値が約０．２程度であり、図１３の従来の加工法における加工限界例を示したいずれの材料（ブロンズ、銅、純アルミニウム）よりもｎ値が低いものを使用した。一般に塑性加工の成形限界はｎ値に依存し、ｎ値が高いほど有利であることからすれば、一般的に同一のバルジ加工法を施した場合はブロンズ、銅、純アルミニウムよりもＡ６０６３アルミニウム合金は加工限界が低くなると考えられる。しかしながら、本発明においては、図２から明らかなように本加工法におけるＡ６０6３アルミニウム合金パイプのバルジ成形の加工限界は、図１３の従来の加工法におけるブロンズ、銅、純アルミニウムの結果と比較して、著しく高い成形限界が得られた。このことから、加工後に除去可能な塑性変形体を充填することによって、大きな加工限界を実現できることを教えており、本発明によれば、ブロンズ、銅、純アルミニウムよりも加工限界が低いＡ６０６３アルミニウム合金でも、高い成形限界が得られることが判る。
【００２２】
【発明の効果】
以上、この出願のバルジ加工に係る発明によれば、従来の加工法における成形結果と比較しても、著しく高い成形限界を得ることができる。この結果、パイプ等の中空薄肉材や、チャンネル等の長尺薄肉型材において、薄肉材に対する大きな張出寸法の製品や難加工材のバルジ加工による成形加工を可能とし、また加工上の効率化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  圧縮加工の概念図である。
【図２】  本発明のバルジ加工における加工限界を表すグラフである。
【図３】  中心部に中空部を持つ充填物を用いた実施例を示す図である。
【図４】  中心部に心金を配置した実施例を示す図であり、（ａ）は膨出部のない心金の例を、（ｂ）は膨出部を有する心金の例をそれぞれ示す。
【図５】  上下パンチの少なくとも一方に逃げを形成する例を示す図である。
【図６】  被加工物を充填物の覆い部を介して圧縮する例を示す図である。
【図７】  先端に突起を形成したパンチにより加圧する例を示す図である。
【図８】  充填物、被加工物を別々のパンチを用いて加圧する例を示す図である。
【図９】  パンチと一体化した上型により加圧する例を示す図である。
【図１０】  エラストマーで包んだ充填物を用いた例を示す図である。
【図１１】  先端に半搾孔を形成したパンチより加圧する例を示す図である。
【図１２】  本発明のバルジ加工品の例を示す図である。
【図１３】  従来のバルジ加工における加工限界を表すグラフである。
【符号の説明】
１、１１    上型
２    下型
３、３１、３２  上パンチ
４    下パンチ
３ａ、４ａ  逃げ
３ｂ、４ｂ  突起
３ｃ、４ｃ  窪み
５    被加工物
６    充填物
６ａ  中空部
６ｂ  覆い部
７    心金
７ａ  膨出部
９    切り込み
１０  半搾孔
【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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【図１３】
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