(57)【要約】  管状ブランク（１０）をハイドロフォーミングする方法であって、管状ブランク（１０）の周りにある、ダイ（１２）のダイ部（１４、１６）を少なくとも部分的に閉じるステップと、第１圧力で管状ブランク（１０）に油圧液（２２）を導入するステップと、管状ブランク（１０）の周りにあるダイ部（１４、１６）を実質的に閉じるステップと、ダイ部（１４、１６）を部分的に開ける一方、油圧液（２２）の圧力を初期に維持するステップと、ダイ部（１４、１６）を少なくとも二回目に実質的に閉じるステップとからなる。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
管状ブランク（１０）をハイドロフォーミングする方法であって、
ダイ（１２）内に位置する管状ブランク（１０）の周りにある、前記ダイ（１２）のダイ部（１４、１６）を少なくとも部分的に閉じるステップと、
第１圧力で前記管状ブランク（１０）に油圧液（２２）を導入するステップと、
前記管状ブランク（１０）の周りにある前記ダイ部（１４、１６）を一回目に実質的に閉じて第１中間チューブ（１１）を形成するステップと、
前記ダイ部（１４、１６）を互いから相対的に遠ざけて前記ダイ（１２）を部分的に開け、ダイ部の間に隙間（２０）を形成する一方、前記第１中間チューブ（１１）内の前記油圧液（２２）の圧力を少なくとも初期に維持して前記第１中間チューブ（１１）の横断面を少なくとも部分的に膨張させるステップと、
前記第１中間チューブ（１１）の周りにある前記ダイ部（１４、１６）を二回目に実質的に閉じるステップとからなることを特徴とする、管状ブランク（１０）のハイドロフォーミング方法。
【請求項２】
前記ダイ部（１４、１６）が一回目に実質的に閉じられた後、前記油圧液（２２）の圧力を第２圧力まで増加させるステップを更に含み、前記第２圧力は前記第１圧力より高いことを特徴とする、請求項１に記載の管状ブランク（１０）のハイドロフォーミング方法。
【請求項３】
前記ダイ部（１４、１６）が二回目に実質的に閉じられた後、前記油圧液（２２）の圧力を第２圧力まで増加させるステップを更に含み、前記第２圧力は前記第１圧力より高いことを特徴とする、請求項１に記載の管状ブランク（１０）のハイドロフォーミング方法。
【請求項４】
前記ダイ部（１４、１６）を互いから相対的に遠ざけて前記ダイ（１２）を部分的に開け、ダイ部の間に隙間（２０）を形成する一方、前記第１中間チューブ（１１）内の前記油圧液（２２）の圧力を少なくとも初期に維持するステップと、前記第１中間チューブ（１１）の周りにある前記ダイ部（１４、１６）を二回目に実質的に閉じるステップとを、繰り返すステップを更に含むことを特徴とする、請求項１に記載の管状ブランク（１０）のハイドロフォーミング方法。
【請求項５】
前記ダイ部（１４、１６）を互いから相対的に遠ざけて前記ダイ（１２）を部分的に開け、ダイ部の間に隙間（２０）を形成するステップは、前記ダイ（１２）を開けて約５〜２０ｍｍの前記隙間（２０）を形成するステップを含むことを特徴とする、請求項１に記載の管状ブランク（１０）のハイドロフォーミング方法。
【請求項６】
第１圧力で前記中間チューブ（１１）に油圧液（２２）を導入するステップは、前記油圧液（２２）を約１００〜５００バールの圧力で導入するステップを含むことを特徴とする、請求項１に記載の管状ブランク（１０）のハイドロフォーミング方法。
【請求項７】
前記ダイ部（１４、１６）が一回目（３６）に実質的に閉じられた後、前記油圧液（２２）の圧力を第２圧力まで増加させるステップは、前記油圧液（２２）の圧力を約８００〜１５００バールまで増加させるステップを含むことを特徴とする、請求項２に記載の管状ブランク（１０）のハイドロフォーミング方法。
【請求項８】
ダイ（１２）内に位置する管状ブランク（１０）の周りにある、前記ダイ（１２）のダイ部（１４、１６）を少なくとも部分的に閉じるステップの前に、厚さ約４〜１０ｍｍの壁（９）を持つ管状ブランク（１０）を選択することを特徴とする、請求項１に記載の管状ブランク（１０）のハイドロフォーミング方法。
【請求項９】
前記ダイ部（１４、１６）を互いから相対的に遠ざけて前記ダイ（１２）を部分的に開け、ダイ部の間に隙間（２０）を形成する一方、前記第１中間チューブ（１１）内の前記油圧液（２２）の圧力を少なくとも初期に維持するステップと、前記第１中間チューブ（１１）の周りにある前記ダイ部（１４、１６）を二回目に実質的に閉じるステップとを、少なくとも二回繰り返すステップを更に含むことを特徴とする、請求項１に記載の管状ブランク（１０）のハイドロフォーミング方法。
【請求項１０】
前記第１中間チューブ（１１）の周りにある前記ダイ部（１４、１６）を二回目に実質的に閉じるステップの後、前記第１中間チューブ（１１）を横転保護システムに組み入れることを特徴とする、請求項１に記載の管状ブランク（１０）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】
本開示は一般的にチューブのハイドロフォーミング工程に関するものであり、より具体的には、例えば横転保護システム構造に用いられるチューブのハイドロフォーミング方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
可鍛性金属、例えば鋼やアルミニウム等からなり、特定の用途に適合する横断プロフィルを有する管状構造が必要とされるときがある。しかしながら、管状ブランクとして用いられる当該チューブを販売する供給業者は、一般的に標準の円形（若しくは他の形）横断面を有するものを取り扱う。従って、特定の用途に用いるためには、所望の横断面を有するチューブを形成する必要がある。更に、多くの場合、特に構造的用途に当該チューブが用いられる場合、最重要の案件は、所望の横断面形成作業によりチューブの構造統合性が損なわれてはいけないということである。
【０００３】
これらの管状構造の用途には、自動車・バイク産業における用途が含まれる。他には、可動機械、例えば土木機械、掘削機、採炭機などのキャブフレームの形成での用途も一例として挙げられる。可動機械のキャブフレームの場合、当該フレームを相互溶接した別途の複数のチューブから構成することで、所望の形状を有するキャブフレームを生成し、寸法や強度の要求条件を満たす部品を持つキャブフレームを提供する。当該用途において、キャブフレームの強度を十分に高め、横転時にキャブ内の人間を保護するためには、使用するチューブの構造統合性は重要である。
【０００４】
延性金属の管状ブランクを、上記の用途に相応する軽量、構造的剛度、強度を備える部品に形成する高費用効率の方式としてハイドロフォーミングが特に有用であることは、既に周知の事実である。特に、ハイドロフォーミングした管状構造は、既存のチューブより剛性対重量比が高く、単位当たり費用は低い場合が多い。また、冷間成形が可能な金属は全てハイドロフォーミングも可能であり、これにはアルミニウム、黄銅、炭素、ステンレス鋼、銅、高強度合金などが含まれる。
【０００５】
より具体的には、従来の管状ハイドロフォーミング工程において、中空ブランクチューブは、補充ダイ部と組み合わせれば所望の結果物に適合する横断プロフィルを持つようになる、陰性ダイモールドの半分に入れても良い。ダイが閉じれば、チューブの端部は、一般的に軸上ポンチに封止され、加圧油圧液がチューブを満たすようになる。内部油圧により、その後、チューブはダイに対して膨張する。一定の時間が経った後、圧力は解放され、油圧液の一部がチューブから吐き出される。チューブ端部の封止は解除され、残りの油圧液がダイから出される。ダイが開き、ハイドロフォーミング品のみが残るようになる。
【０００６】
このような従来のハイドロフォーミング工程は、他の手法に比べ、剛性対重量比が高く、単位当たり費用は低い部品の仕上げが容易であるため、過去、有用な手法として知られていた。しかしながら、従来技術の管状ハイドロフォーミング工程には欠点もある。
【０００７】
特に、相対的に壁厚が高いチューブ、および／または相対的にコーナー半径が締まっている屈曲部をハイドロフォーミングするとき、従来の低圧ハイドロフォーミング工程は、所望の断面を有するチューブの仕上げには適合ではない。逆に、従来の高圧ハイドロフォーミング工程は、仕上げ品の横断面を不要に薄くし、結果物の構造統合性を損なってしまうことがある。更に、低圧か高圧かに係らず、スプリングバック（弾性回復による除荷作用の後、変形部品の面積に変化が起こること）は問題となっていた。
【０００８】
これに関して、米国公開特許第２０１００１８６４７７号「ハイドロフォーミングによるフランジ付き管状部材の形成方法」は、低圧ハイドロフォーミングと高圧ハイドロフォーミングを組み合わせてフランジ付きの仕上げ品を形成するチューブハイドロフォーミング方法を開示する。しかしながら、本公開特許に開示されている方法は、仕上げ品に特に構造統合性が求められる場合に特に問題となる、スプリングバックと壁部の薄化に対する良い解決策にはならない。更に、本公開特許に開示されている２段階工程は、別途のダイ二つを必要とするため、部品形成工程におけるコストと複雑性が増加し、フランジ付きの最終管状部品に対してのみ用いられるのである。
【発明の概要】
【０００９】
本開示は、ハイドロフォーミング工程を用いて管状ブランクから所望の横断面を持つ仕上げチューブを形成する方法に関するものである。
【００１０】
具体的に、本開示における管状ブランクから所望の横断面を持つ仕上げチューブをハイドロフォーミングする方法の一実施形態は、（１）ダイ内に位置する管状ブランクの周りにある、該ダイのダイ部を少なくとも部分的に閉じるステップと、（２）第１圧力で管状ブランクに油圧液を導入するステップと、（３）管状ブランクの周りにあるダイ部を一回目に実質的に閉じて第１中間チューブを形成するステップと、（４）ダイ部を互いから相対的に遠ざけてダイを部分的に開け、ダイ部の間に隙間を形成する一方、第１中間チューブ内の油圧液の圧力を少なくとも初期に維持して第１中間チューブの横断面を少なくとも部分的に膨張させるステップと、（５）第１中間チューブの周りにあるダイ部を二回目に実質的に閉じるステップとからなる。本開示の実施形態における任意追加ステップには、ステップ（４）および（５）を必要な回数だけ（用途に応じて異なる）繰り返すステップと、ステップ（３）または（５）の後に油圧液の液圧を増加させるステップが含まれる。
【００１１】
本開示における管状ブランクから所望の横断面を持つ仕上げチューブをハイドロフォーミングする方法の他の実施形態は、（１）管状ブランクをダイ内に位置付けるステップと、（２）ダイを部分的に閉じるステップと、（３）管状ブランク内に加圧油圧液を導入するステップと、（４）一回目にダイを実質的に閉じるステップと、（５）部分的にダイを開けるステップと、（６）二回目にダイを実質的に閉じるステップと、（７）油圧液の圧力を解放するステップと、（８）ダイを開けて仕上げチューブを出すステップとからなる。本開示の実施形態における任意追加ステップには、ステップ（５）および（６）を必要な回数だけ（用途に応じて異なる）繰り返すステップと、ステップ（４）または（６）の後に油圧液の液圧を増加させるステップが含まれる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】従来技術の低圧ハイドロフォーミング工程により形成したダイにおける、従来の仕上げチューブの断面図。
【図２】従来技術の高圧ハイドロフォーミング工程により形成したダイにおける、従来の仕上げチューブの断面図。
【図３】本開示の様態による、作業完了前のダイにおける管状ブランクの断面図。
【図４】本開示の様態によるハイドロフォーミング工程の第１フェーズのダイにおける中間チューブの断面図。
【図５】本開示の様態によるハイドロフォーミング工程の第２フェーズのダイにおける中間チューブの断面図。
【図６】本開示の様態によるハイドロフォーミング工程の第３フェーズのダイにおける中間チューブの断面図。
【図７】本開示の様態によるハイドロフォーミング工程の最終フェーズのダイにおける中間チューブの断面図。
【図８】本開示の様態によるハイドロフォーミング工程の第３フェーズのダイにおける中間チューブの側面斜視図。
【図９】本開示の様態によるハイドロフォーミング工程の最終フェーズのダイにおける中間チューブの側面斜視図。
【図１０】本開示の様態に合致する一部の実施形態を示すフローチャート。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
まず図１は、従来技術の低圧管状ハイドロフォーミング方法の結果を示している。ここにおいて、従来の仕上げチューブ２はダイ空洞６と完全に一致せず、隙間４を残している。従来の仕上げチューブ２の壁があまりに厚いため、油圧液８の圧力が従来の仕上げチューブ２を完全に変形できなかったせいである。
【００１４】
図２は、従来技術の高圧管状ハイドロフォーミング方法の結果を示している。従来の仕上げチューブ３は従来のダイ法が、油圧液８の圧力が印加されるように先立って、従来の仕上げチューブ３の壁９に大々的に作用してしまい、壁９が薄くなっている。
【００１５】
図３によると、本開示による実施形態において、管状ブランク１０は、第１ダイ部１４と第２ダイ部１６とからなるハイドロフォーミングダイ１２の内部に位置している。ここにおいて、ダイ部は、ダイ１２の用途や配向に応じて、ダイ１２の上方部、下方部、左側部、右側部などと表記されることになる。管状ブランク１０は、何らかの作業がある前、且つ加圧油圧液が導入される前の状態である。本実施形態の説明どおり、第１ダイ部１４および第２ダイ部１６は、組み合わされたとき、仕上げ部品に求められる所望の横断面を有するハイドロフォーミングダイ空洞１８を形成する。
【００１６】
図４によると、本開示による方法において、中間チューブ１１は第１ダイ部１４および第２ダイ部１６の初期圧縮により形成される。ここにおいて、ダイ部１４、１６は中間形成位置にあり（つまり完全に閉じられてない）、これによってダイ部の間には隙間２０が生じる。ダイ部１４、１６に対する中間形成位置に生じた隙間２０は、用途によって異なり、工程中の特定時点にて部品に求められる冷間加工の所望量に左右されるが、本開示では、約５ｍｍ〜約２０ｍｍの範囲であり、より具体的には、約１５ｍｍである。中間チューブ１１の端部は周知の方式で封止され、第１圧力下の油圧液２２がその中に導入される。当該第１圧力は低圧ハイドロフォーミング工程で通常的に用いられる範囲の圧力、つまり約１００〜５００バール、より具体的には、約３００バールである。
【００１７】
図５に示されているように、続いてダイ１２を操作し、第１ダイ部１４と第２ダイ部１６が互いに対してより近付く方向に動き、略閉鎖位置に行くようにする。例えば、第１ダイ部１４が第２ダイ部１６に接近して閉じられ（もしくは第２ダイ部１６が第１ダイ部１４に接近して閉じられても良く、或いは第１ダイ部１４と第２ダイ部１６が相互接近して閉じられても良い）、ダイ空洞１８を形成する。第１圧力下の油圧液２２は、ダイ空洞１８内の中間チューブ１１を変形させることで、中間チューブ１１に作用し続ける。このとき、必要によって、油圧液２２の圧力を、一般的に高圧ハイドロフォーミング工程に係る圧力、つまり約８００〜１５００バール、より具体的には１１００バールまで増加させても良い。
【００１８】
次に、図６および図８に示されているように（何れも油圧液２２の圧力上昇の際、或いはその直ぐ後である）、第１ダイ部１４と第２ダイ部１６は互いに対して離れて、例えば分離されて（上述の方式のうち一つを用いる）再び第１ダイ部１４と第２ダイ部１６の間に隙間２０を形成する。前述した通り、ダイ部１４、１６に対する中間形成位置は、用途によって異なり、仕上げ部品に求められる冷間加工の所望量（および中間チューブ１１の寸法）に左右される。約５ｍｍ〜約２０ｍｍの隙間２０は本開示と関連して操作可能であり、そのまま、隙間２０は約１５ｍｍとなる。
【００１９】
図６および図９に示されているように、ダイ１２は、油圧液２２（第１圧力下、或いは第２圧力下、若しくは必要によって他の圧力下であっても良い）を未だ含んでいる中間チューブ１１をついに圧縮して、中間チューブ１１に所望する最終冷間加工をほどこし、ダイ空洞１８の形状により近い仕上げチューブ１３を形成する。仕上げチューブ１３の所望した形状（および他の因子）に応じて、最後のステップ二つは一回、或いは数回行われることになる。最終圧縮ステップが数回行われた場合、隙間２０の寸法は圧縮する度に小さくなり、および／または、油圧液２２の圧力は変動することになる。特に、油圧液２２の圧力については、前回に用いられた圧力（第１圧力や第２圧力の何れでも良い）をそのまま維持しても良く、異なる圧力、例えば第１圧力または第２圧力、或いはその間の他の圧力に調整しても良い。こうすれば、本明細書に開示された方法によって、所望した形状の仕上げチューブ１３を得ることができる。
【００２０】
図１０に示されているように、本開示に関する様々な実施形態が提示されている。特に、本開示の一様態による工程は、（１）管状ブランクをダイ内に位置付けるステップ３０と、（２）ダイを部分的に閉じるステップ３２と、（３）管状ブランク内に加圧油圧液を導入するステップ３４と、（４）一回目にダイを実質的に閉じるステップ３６と、（５）部分的にダイを開けるステップ３８と、（６）二回目にダイを実質的に閉じるステップ４０と、（７）油圧液の圧力を解放するステップ４２と、（８）ダイを開けて仕上げチューブを出すステップ４４を含んでも良い。本開示の実施形態における任意追加ステップには、ダイを部分的に開けるステップ４６とダイを実質的に閉じるステップ４８を必要な回数だけ（用途に応じて異なる）繰り返すステップと、工程のさるステージにて油圧液の液圧を増加させるステップ５０、５２が含まれても良い。
【００２１】
ここでは直線延在チューブを想定して本開示の方法を説明しているが、当業者であれば、例えば従来のチューブ曲げ装置などにより形成した、一つ以上の屈曲部を有する予曲げチューブなどにも本開示による方法を適用できることが理解するはずである。
【００２２】
同様に、管状ブランク１０における初期ブランクは図面では円形の横断面を有しているが、初期ブランクの横断面が他の形状（楕円形、正方形、長方形など）を持つ管状ブランク１０も、本開示の範囲に属するものと見なされる。本開示によると、ハイドロフォーミング技術の分野において当業者に周知の方式で行われる、中間がたチューブ１１内の油圧液２２の封止には、封止コーンや封止チューブの利用が含まれるが、これらに限られる訳ではない。
【００２３】
更に、管状ブランク１０の壁厚は相応の壁厚であれば何れでも良い。本開示に符合する実施形態において、壁厚の範囲は約４ｍｍ〜約１０ｍｍであり、より具体的には、約６ｍｍ〜８ｍｍとなる。また、管状ブランク１０の形成に適合なものであれば、何れの材料も用いることができる。適合な材料には高強度低合金鋼、複相鋼、変態誘起塑性（ＴＲＩＰ）鋼、マルテンサイト鋼（或いは、これらの組み合わせおよび／または合金）が含まれるが、これらに限られる訳ではない。
【産業上の利用可能性】
【００２４】
土木機械、掘削機、採炭機などの可動機械は、土木工事、掘削、採炭、または他の作業に採用される。当該可動機械を取り扱う際に、機械に連結されている操縦室やキャブに操作者が座っている必要がある場合が多い。キャブのフレームは、よく統合横転保護システム（ＲＯＰＳ）を具備している。名称の通り、ＲＯＰＳの目的は、横転の際に、キャブフレームやキャブそのものが押し潰されないように保護する構造を提供することである。
【００２５】
ＲＯＰＳのキャブフレームは、よく、複数の中空金属チューブで構成される。当該構造における各チューブは、一般的に直線形であり、一定の横断面を有しているが、長さ、内部および／または外部寸法が異なるチューブを用いても良い。多くの場合、キャブフレームは、様々な寸法を有する別途のチューブ数個で作り上げられる。当該チューブは本開示による方法を用いて制作することができる。更に、本開示の方法によって制作したチューブは、自動車産業を含む他の産業分野や他の様々な目的に用いても良く、高強度管状バイク枠などに関連して用いられても良い。
【００２６】
前述した通り、相対的に壁が厚く（例えば約４ｍｍ以上）、構造統合性が高く、仕上げチューブの形成に用いられるダイと相対的に一致し、従来の工程、具体的には従来のハイドロフォーミング工程により製造した管状部品によく現れる過度なスプリングバックおよび／または壁薄化などの問題を示さない管状ブランクから、所望の横断面を有する最終管状部品を生産する工程が求められる。
【００２７】
従って、本明細書に開示された方法は、仕上げ品における曲げスプリングバックを抑え、ダイ空洞の形状と仕上げ品の横断面との一致性を高める。更に、本開示による方法は、問題の部品におけるコーナー半径とダイ空洞との一致性を高めるのは勿論、所望の壁厚と剛度を維持することもできる。よって、本開示による方法は、従来の低圧ハイドロフォーミング工程または高圧ハイドロフォーミング工程によるものよりも更に締まったコーナー半径を作り上げることができる可能性が極めて高い。
【００２８】
本開示の特性および利点については、明細書の説明で明確に理解することができる。従って、下記の請求項は、本発明の精神と範疇に属する開示の特性および利点は全て網羅することになる。更に、当業者であれば様々な変形版や改良版に思い付くはずであり、よって本開示は本明細書が説明している特定の構造や動作に限定されることはない。つまり、適合な変形版や同等物は全て、本開示の範疇に属するものとして見なされる。
【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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【国際調査報告】
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