高強度中空構造部材を実現する
ハイドロフォーミングにおける強制潤滑技術
東海大学 工学部 機械工学科
講師 窪田 紘明（2019 年度 奨励研究助成（若手研究者枠）AF-2019040-C2）
キーワード：チューブハイドロフォーミング，強制潤滑，成形特性

１．研究の目的と背景

３．実験方法チューブハイドロフォーミングは一体成型が可能であ

3・1

実験装置および材料る，形状凍結性が良い，加工硬化が得られるなどの利点が

図２に実験装置を示す．内圧発生用と潤滑剤供給用に 2ある一方で金型と管材の間で生じる摩擦により肉厚が不台の油圧ポンプ（理研機器製 SMP-3016BR，最高圧力：70均一になりやすいという課題がある 1)．本課題の解決策とMPa，高圧時の吐出量：0.2 L/min）を用いた．内圧の圧力して固体潤滑膜を用いて摩擦を低減する方法 2)や金型を媒体と潤滑剤はともに動粘度 32 cSt の油圧機器用作動油

成形中に移動させることで摩擦力の方向を変更する方法を使用した．圧力の制御のためには手動操作型のリリーフ3)が提案されている．

弁を使用した．被加工材は外径φ50.8 mm，公称板厚 t=1.2

また，T 字成形時の金型内面に多数の潤滑剤供給口を設mm の鋼管（JIS STKM11A）を長さ 300 mm に切断して使用けて管端から遠い位置へ軸押し効果を波及させる方法 4)した．表面は入荷時の防錆油がついたままとした．

が提案されている．この方法は金型数の増加や複雑な機構の必要がない簡便な方法の一つであると考えられる．

図３に製作した金型を示す．上下型と管端部を塞ぐふたの 4 部品で構成されている．金型材料には S45C 調質材を本研究では，減肉や割れ発生が問題となりやすい管端か用い，上型内面にはラップ処理を施した．上型部分のみをら遠く軸押し効果が得られにくい部位において，周方向に角形に成形できるようにしており，ここを評価部とした．

材料を効率よく流動させることを目的に新たな強制潤滑

図中にキャビティー形状も示した．管端部から 50 mm より技術を開発した．本報では，考案技術の概要と成形実験か内側の部分を膨出させる．中央断面(C-C’)の位置に潤滑ら得られた変形挙動の詳細を報告する．

剤供給用の穴を，B-B’断面の位置に潤滑剤の逃げ穴を配置した．

２．考案技術
過去の研究 5)において管と金型の接触域では材料流動が抑制されることが示されている．そこで，図１(a)に示
すように金型と成形初期に接触する位置に高圧の潤滑剤を供給する方法を考案した 6)．また，複数の穴を設定すると非接触部の穴から潤滑剤が漏れて潤滑剤の圧力が高まらないと考えたため，1 つの圧力源に対して 1 つの供給口

図２

実験装置を設定することにした．図１(b)には装置構成と縦断面で見た変形状態の模式図を示す．潤滑剤は内圧用の圧力媒体

Upper dieと同じもので良い．
Lower dieCavity shapeB
Lid

A-A’

C

C-C’

C’

A
B’

CenterA’

PressureGauge

Pump for lubrication

Pressure
Gauge
Die

Pump forinternal pressureTube

図１ 強制潤滑ハイドロフォーミングの模式図

図
3・2

３B-B’
金型形状

実験手順

以下の手順で強制潤滑の実験を行った．
①金型に鋼管をセットして，鋼管を圧力媒体で満たす．

②潤滑剤供給用のポンプを作動させ，最高圧力設定（70MPa）にする．
③続いて，内圧発生用のポンプを作動させて約 60 s の時

7065
44

Conventional

間をかけて手動で内圧を 70 MPa まで上昇させる．

４．実験結果および考察
4・1

強制潤滑効果の実証

Proposed

図４に内圧および潤滑剤圧力の時間履歴を示す．潤滑剤圧力は約 20 s の時刻で急激に立ち上がっている．これは，鋼管が内圧により降伏して膨出をはじめ，潤滑剤供給口を塞いだためと考えられる．また，20 s から試験終了まで

50Center Sec. 1 Sec. 2
Bulged portion
End portionTransition portionの間については，潤滑剤圧力は内圧にほぼ連動して推移す
図５ることが見て取れる．

成形後の鋼管の外観

図６
図４

成形後の中央断面

強制潤滑ハイドロフォーミングにおける内圧・潤滑圧履歴

図５に内圧のみで成形した場合（従来法，Conventional）と強制潤滑を行って成形した場合（開発法，Proposed）の外観写真を示す．従来法では稜線部近傍で割れが発生しているが，開発法では割れが生じなかった．なお，従来法は内圧 65 MPa で割れが発生して瞬間的に減圧した後 70 MPaまで到達した．また，従来法，開発法とも成形により鋼管の全長が約 3 mm 短くなった．
図６に鋼管中央の断面写真を示す．また図７に肉厚測定結果を示す．肉厚はポイントマイクロメータを用い 1 mm

図７間隔で測定した．従来法は中央部（図７の C=50 mm 付近）

中央断面における肉厚分布において初期肉厚から変化が少なくコーナー部近傍（図７の C=65 mm 付近）で減肉して割れが発生している．すなわ
ち摩擦により材料流動が妨げられている様子が見て取れる．一方，開発法は従来法にくらべて平面部中央部において減肉が進行しているが，それ以外の部位では減肉が抑制されており肉厚が均一化している．すなわち，強制潤滑による肉厚の均一化効果が確認された．
つぎに強制潤滑の長手方向への効果を確認するために，

図８

図５に示した Center の位置に加えて Sec. 1 および Sec. 2

各断面における肉厚分布の肉厚分布も調べた．その結果を図 8 に示す．当初潤滑剤供給口に近い部分のみしか効果が得られないと考えてい

4・2

たが，65 mm 離れた Sec. 2 においても，開発法は従来法

ここでは途中止め試験を行うことにより変形過程の詳

途中止め試験による変形過程の評価

より肉厚が均一化しており広い範囲での効果が認められ細を明らかにする．本実験では昇圧を 5 から 10 MPa 刻みた．

で途中停止させて中央部を切断し，肉厚分布を計測した．
また圧力毎に金型と鋼管の接触位置を調べた．図９に従来

法の肉厚測定結果を示す．図中の Contact area は金型上面部と鋼管の接触域を示している．圧力を上昇させると金型と鋼管の接触域が広がり，その接触域の端部では肉厚が急激に減少していることが見て取れる．特に 50 MPa 以上の加圧において肉厚減少が加速する様子が見て取れる．一方で，接触域内の端部を除く大部分の領域では圧力を上昇させても肉厚の変化が生じていない．これは金型と接触した材料が流動できなくなることを意味している．
図１０に開発法の肉厚測定結果を示す．図中の金型上面部と鋼管の接触域（Contact area）では，従来法に比べて肉厚が均一に減少していくことが確認できる．強制潤滑により中央部の材料が流動可能となり周方向に均一な引張
図１１

応力が付加されていることが示唆される．また，内圧 25

従来法と開発法におけるコーナー部半径の比較

MPa においても中央部において肉厚減少が生じていることから成形初期から潤滑効果が得られていることが確認できる．加工圧力 70 MPa では従来法と比較して約 0.15 mm
肉厚が厚くなっており局部的な減肉を抑制可能であることが確かめられた．

５．FEM 解析を用いた変形挙動の考察
5・1

解析方法

詳細な変形挙動を考察するために静的陰解法弾塑性有

図１１には内圧とコーナー部半径の関係を示す．開発法

限要素法（FEM）を用いて解析を行った．ソルバーには MSCと従来法では成形されるコーナー部半径に差はない．したMarc 2021 を用いた．図１２にモデル形状を示す．本モデがって強制潤滑の有無に応じて最大内圧を変更する必要

ルは対称性を考慮して 1/2 モデルとした．鋼管の初期寸法はないと言える．

は外径 d=φ50.8 mm，初期肉厚 t=1.15 mm とした．初期肉厚は公称値ではなく実測値とした．金型コーナー部半径は5 mm とし，金型と鋼管の間の初期クリアランスを 0.1 mmとした．要素には四辺形平面ひずみ完全積分ソリッド要素を用いた．要素サイズは板厚方向に 0.0767 mm，周方向に0.147 mm とした．要素数は 8100 要素である．
金型は剛体とし，鋼管（STKM11A）は等方弾塑性体とした．鋼管のヤング率 E は 213 GPa，ポアソン比νは 0.3 とした．また，本解析で用いた流動応力曲線を図１３に示す．
塑性ひずみが約 0.3 までは JIS 12B 号弧状引張り試験片（G.L.=50 mm）による管軸方向の引張り試験から取得した曲線を，塑性ひずみが約 0.3 以上は Swift の式（式(1)）

図９ 中央断面における従来法の肉厚分布測を用いて外挿した曲線を用いた．

図１０ 中央断面における開発法（強制潤滑）の肉厚分布測
図１２ 解析モデルの形状

た位置では，従来法（μa =μb =0.04）に対して開発法（μa=0.001，μb =0.04）の材料の変位が大きく材料がよく流動していることが見て取れる．したがって，強制潤滑による摩擦の低減により材料の流動性が向上し肉厚の均一化を図ることができたと言える．

図１３ FEM 解析に用いた流動応力曲線

σeq = 545 (0.11+εeq )0.29(1)境界条件として，鋼管の内面に対して面圧 P を 0 MPaから 30 MPa まで比例的に付加した．成形の中間段階である 30 MPa 時の状態を評価する．対称面においては節点変位を x 方向に固定し，y 方向には自由とした．金型と鋼管

図１４ 従来法の内圧 30 MPa における肉厚分布の実験結果と FEM 解析結果の比較の間の摩擦係数は強制潤滑面（金型上面部）の摩擦係数をμa，それ以外の面の摩擦係数をμb と定義した．
5・2

摩擦係数が肉厚分布におよぼす影響

ここでは開発法の摩擦低減効果を検証するために実験結果と FEM 解析結果を比較する．図１４に従来法の内圧30 MPa における肉厚分布と種々の摩擦係数を用いた FEM解析結果を示す．どの摩擦係数を用いた場合においても実験結果と FEM 解析結果には差が生じた．この原因は FEM解析において平面ひずみ要素を用いており軸方向のひずみを考慮していないことが一因と考えられる．そこで，摩擦力の影響が大きいと考えられる鋼管と金型の接触部（図中の Contact area）の肉厚の周方向の勾配に着目する．

図１５ 開発法の内圧 30 MPa における肉厚分布のそうすると，摩擦係数μa =μb =0.04 を用いて解析を行っ実験結果と FEM 解析結果の比較た場合に実験における周方向の肉厚勾配を再現できていることが分かる．したがって，従来法の加工圧力 30 MPaにおける摩擦係数は約 0.04 であると推定した．
つぎに開発法を想定した FEM 解析を行った．即ちμb を上記解析で同定した 0.04 に固定した上でμa を種々変更して解析を行った．図１５に実験結果と FEM 解析結果を比較する．実験において潤滑面（金型上部）では肉厚が周方向に均一になっていることが分かる．一方，FEM 解析においてはμa を 0 に近いμa =0.001 にした場合に潤滑面の肉厚が均一になり実験の傾向が再現できた．したがって強制潤滑を実施した場合に潤滑剤供給口直下の位置では摩擦係数はほぼ 0 であると推定される．
材料の流動状態を比較するために上記で同定した摩擦係数を用いて従来法と開発法の FEM 解析を行った．図１６に材料の周方向変位を示す．即ち dx は節点の x 方向（潤滑面に沿う方向）変位である．金型中央部は対称面であるため材料の流動は生じていない．一方で中央から少し離れ

図１６ 金型上面の材料の x 方向変位の比較

5・3

潤滑範囲が広いことに関する考察

長尺の部品を成形する場合には潤滑剤供給口を長手方

図８に示したように 1 点の潤滑剤供給口によって広範向に複数配置することが想定される．本考察は，そのよう囲で潤滑効果が得られた．ここではその理由を考察する．

な場合における潤滑口配置を設計するために有用である．

図１７に開発法を想定した内圧 30 MPa における金型接触面圧の結果を示す．摩擦係数にはμa =0.001，μb =0.04を用い，結果は各節点の接触面圧をベクトル表示してベク

６．結言
チューブハイドロフォーミングにおける強制潤滑実験

トル部分に灰色のハッチングを施して表示した．その結果，と FEM 解析を行い，以下の知見を得た．

接触部の端部において局所的に高い面圧（約 50 MPa）が1) 金型平面部の中央部の供給口から金型と鋼管の間に高生じており，さらにその高面圧部の近傍において低面圧部圧の潤滑剤を注入することにより肉厚の均一化と割れ発が形成されていることが明らかになった．この特徴的な面生の防止が可能である．

圧分布は図１８に示すようにコーナー部で一旦曲げ成形

2) 潤滑剤供給口から長手方向に 65 mm 離れた位置においされた部分が順次平面部に押し付けられて曲げ戻されるても潤滑効果が得られた．

ことにより発生していると考えられる．

3) 従来法の内圧 30 MPa における摩擦係数は 0.04 である

当初，図１９（a）に示すように潤滑剤は最短経路を通ことが推定された．また，強制潤滑を行った場合の潤滑剤り排出される可能性があると考えていた．しかし以上の供給口付近での摩擦係数は 0 に近いことが推定された．

FEM 解析結果から接触領域の端部において高面圧部が形

4) 鋼管と金型の接触部の端部では接触面圧が局所的に高成され，これにより潤滑剤がシールされて図１９（ｂ）にくなっており，これにより潤滑剤がシールされて長手方向示すように平面部の長手方向に潤滑剤が誘導されて広いに誘導されて広い範囲で潤滑効果が得られたと考えられ範囲で潤滑効果が得られたと考えられる．

る．

本考察を支持するもう一つの結果が図６の上部の平面謝部の形状である．開発法においては潤滑部直下の平面部が辞0.35 mm 凹んでいた．これは，接触部端部において潤滑剤電気通信大学 久保木孝教授，梶川翔平准教授には装置がシールされて軸方向に誘導されたことを示す形跡であ製作についてご助言をいただきました．ここに感謝の意をると考えられる．

表します．

参考文献
1） Manabe K.& Amino M.: J. Mater. Proc. Technol.,123(2002), 35-39.
2） 白寄：特許第 4392504.
3） 富澤 他：塑性と加工，56-648．(2015)，40-46.
4） 菱田 他：特開 2001-150049.
図１７

金型上部（潤滑面）における接触面圧の FEM 解析結果

図１８

コーナー部近傍の変形の模式図
LubricantUpper side of tube(a) Initial idea
図１９(b) Estimated lubricant flow
潤滑剤の流れの模式図

5） 富澤 他：塑性と加工，53-614．(2012)，236-240.
6） 窪田 他：特願 2021-143672.