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水の底力

チューブハイドロフォーム（T・H・F）とはWhat is Tube Hydro Forming ?

チューブハイドロフォームの基礎と応用㈱山本水圧工業所

１ はじめにハイドロフォーミングは以前バルジフォーミングと呼ばれ、比較的単純形状の小物製品が福村

卓巳れる。通常この技術は第１図のように、①パイプを曲げる、②パイプを潰す、③パイプに高圧力を加える。この三つの技術を組み合わせて成形される。

成形されていた。しかし1990年代頃から炭酸ガスによる地球温暖化が問題となり、その原因の一つが自動車の排気ガスとされ、その対策のため自動車の軽量化が急務となった。一方で軽量化は安全性を損なうことに繋がるため、この相反した問題の解決手段として、パイプで重量軽減効果の大きいフレームをバルジフォーミングで成形し、閉断面効果で剛性を増すと同時に

第１図

ハイドロフォーミング３要素技術

写真１

ハイドロフォーミング３要素成形品

板厚を減らすことが提案された。この効果を実証するため、1994年から国際鉄鋼協会主導でULSAB（Ultra Light Steel Auto Body）プロジ
ェクトを立ち上げられた。その結果大きな重量軽減に成功しその有効性が確かめられた。この頃からからこのフォーミング技術はハイドロフォーミングと呼ばれるようになり一般化している。その後この技術はFEM技術の発展に相まって幾多の自動車に採用され、飛躍的に技術が向上し今日に至っている。

２ ハイドロフォーミングの原理
成形原理は比較的簡単でパイプを包むように

３ ハイドロフォーミングの特徴①非対称で複雑な形状の成形が可能（写真２参照）。
②閉断面による剛性向上や加工硬化による強金型を設置し、パイプに水を満たし高圧を加え度向上が見込める（写真掲載）。

膨張させて、金型形状になぞらせることで行わ

Technische Mitteilungen文 献 よ れ ば 製 品

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第３図
第２図

液封ハイドロフォーミング

潰し品（右）、THH品（左）安くなる。にもよるが溶接構造との比較では、(2)

高圧ハイドロフォーミング（第４図）

1 曲げ剛性＋40％

この方法は潰し加工(形状によっては同一金2 曲げ応力－30％型内で)を行った後金型を閉じ、パイプ内を満

3 ねじり剛性＋７％水し高圧を加えて拡管し金型になぞわせる。拡

4 ねじり応力－20％

管率が大きく取れるので複雑な形状の成形が可とそれぞれ良くなるとある。

能で、最も多く使用されている。

③成形時軸圧縮を加えるため減肉が少ない。
④プレス製品と比較して歩留まりが70 ～ 90％に向上。
⑤閉断面で拡管するため形状凍結性が良い。
⑥複数部品を一体化成形ができ工程数削減可能。
⑦同一工程内で穴あけ、バーリング、フラン

第４図

高圧ハイドロフォーミング

ジング等ポストフォーミングが可能。
⑧雄型が不要。

(3)

低圧ハイドロフォーミング（第５図）

以上のように多くの特徴を有する反面、水をこの方法は潰し加工を行った後、隙間の与え入れ昇圧しなければならない余分な工程がある

られた金型にパイプをセット満水にし、昇圧とため、サイクルタイムが遅い。又、水圧による同時に金型を閉じる。通常コーナー R成形時に大きな反力を受けるためプレスが大型化し設置最高圧力を必要とするが、この方法ではプレス面積が大きい欠点がある。の力でコーナー Rを折り込むように成形される

４

ため、比較的低い圧力で成形できる。しかし大ハイドロフォーミングの種類

きな拡管率は見込めず複雑な形状を成形するのは難しい。

ハイドロフォーミングにはいろいろな方法があるので紹介する。
(1)

液封ハイドロフォーミング（第３図）

この方法はパイプを金型内にセットした後パイプ内に水を満たし金型を閉じると体積が変化し自己内圧が発生する。上昇し過ぎると破裂するためリリーフで圧力をコントロールする。形状には制限があるが、増圧機が不要で設備費が2Y1812-14.indd 2

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第５図

低圧ハイドロフォーミング

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チューブハイドロフォーム（T・H・F）とは… (3)(4)

型寄方法

(5)

型寄法（第６図）

この方法は成形の手法でよく使用される。塑
性加工では金型と成形品間の摩擦の軽減が鍵を握る場合が多々ある。大敵である摩擦を減らし拡管率を大きくする時に用いられる。金型に所定の隙間を与えておき、パイプ内に圧力を加えながらパイプと金型同時に軸力を加えて閉じて行く。パイプは軸力を加えられたままキャビテ

第８図

シートメタルハイドロフォーミング

ィ内を自由に膨張していくため拡管率を大きくすることができる。

ングルメタル方式とダブルメタル方式があり、この手法で製造される代表例がフレキシブル
チューブである。

シングル方式はプレスで板をルーズに押さえ込んだ後、水槽内に圧力を加えて金型に触れさせることなく、自由に膨張させ周長を稼いだ後、金型でプレスし形状を転写する。ダブルメタル方式は二枚合わせのメタルの縁を閉じ二枚の間に圧力を加えて自由に膨張させた後、両面より第６図型奇法金型でプレスして形状を転写する。いずれの場合も対向液圧方式、深絞り等と比較してより深(6)カウンター（第７図）

ハイドロフォーミングにおいて破裂し易い部く成形できる。写真２はフレームの成形例である。

分に補助的に使用される装置で、膨張過程では曲率半径に応じて破裂圧力が異なるため、予め破裂し易い部分を押さえ込み、目的の部分を膨張させるために使用される。

第７図

カウンターの使用

実際のハイドロフォーミングでは、成形形状に合わせてそれぞれの方法を組み合わせること

写真２

シートメタルハイドロフォーミング

（出典：新日鉄住金ホームページ）

５ 圧力発生装置

で、拡管率200％を超える製品も出始めている。

ハイドロフォーミング装置は超高圧を発生さ

この他にパイプでは拡管率が大きく成形困せなければならないが、疲労強度、シール、防難、ハイテン材料で成形が難しいなどの製品に錆などが問題となり、設計いかんで寿命に大き応用される、シートメタルハイドロフォーミンな影響を与えるので細心の注意が必要である。

グがありを紹介する。第８図はその概略図であ(1)る。

超高圧発生装置は一次側油圧を二次側高圧水

シートメタルハイドロフォーミングには、シ圧力発生装置の種類圧に変換する増圧機が使用される。増圧機の種

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第９図



…(1)



…(2)



…(3)

増圧機の種類

類には主に単動式と複動式の２種類がある。
単動式は構造が簡単で精度が良く取り扱いし易いが、吐水量に限りがあり大型化になる。複(Pu-Pℓ )動式は吐水量に限りはないが、息つき現象によ…(4)

り精度が落ちる。又、逆流水を受け止められなここにい欠点がある。管の成形においては破裂圧力とt

成形圧力が極めて近く高精度で制御することがP max ：最大許容圧力（MPa）求められる。又、ハイドロフォーミングは膨らP：設計圧力（MPa）

むイメージで捉え、高圧水を送るだけの一方通Di：円筒胴の内径（mm）

行と思われがちだが、形状によっては素管容積Do：円筒胴の外径（mm）より最終成形形状の方が小さい場合がある。こK：円筒胴の内外径比 Do/Diの場合は逆流を受け止め増圧機が後退しなけれf:：安全率で2.4とするばならない。これらの理由により一般的には単Sy：設計温度における材料の降伏点又は耐力（N/mm2）動式が採用されている。
シリンダの材料は超高圧に耐えるよう高強度： パイプ肉厚（mm）

Su：設計温度における材料の引張強さ（N/mm2）

低合金鋼が一般的に使用される。又、シリンダの構造としては、単層円筒、多層円筒、自緊円τ max ：最大せん断応力（N/mm2）

筒、鋼帯巻円筒等の方法がある。単層円筒はそPu：運転圧力変動の最大値（MPa）の他の構造に比べて最高圧力は低いが、簡単でPℓ：運転圧力変動の最小値（MPa）

経済的なため主流となっている。円筒の強度評式(5)によればKの値が無限大の時、せん断応価については現在国内業界筋で多少ばらつきが力 τmaxは ２(Pu-Pℓ )に、 応 力 振 幅Saは(Pu-Pℓ )にあるが、いずれASME規格に統一すべく進行中収束する。高強度低合金鋼の107回時の応力振である。強度評価は、静的強度、動的強度（疲労強度）、破壊工学に基づく強度のいずれか小さい値を採用するよう求められている。高強度鋼は降伏比が高いため一瞬にして破壊が起る危険性があり、十分な評価が必要である。高圧ガス保安協会発行「超高圧ガス設備に関する基準」によると円筒胴の肉厚、最高許容圧力は式(2)及式(3)で求められる。又、疲労強度に関しては、材料特性からせん断応力で評価され式(4)となり、その時の応力振幅は設計疲労曲線を用いる場合式(5)で求められる。

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第10図

高強度低合金鋼の設計疲労曲線

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第12図

(3)
第11図

コーナー部

増圧機容量の決定

水はわずかだが圧縮性があり圧力と容積に比応力振幅107回時のPuとKの関係例して容積が小さくなる。この圧縮容積にリーク量、エア残留量、パイプの拡管容積などが加2

幅 を 設 計 疲 労 曲 線 で 求 め る とSa=90N/mm で算されて、増圧機の容量が決まり式(6)で求めあり、Pℓ ＝０の条件でKとPuの関係をグラフ化られる。最近ポストフォーミング（ピアシング

すると第12図になる。この図によればKをむや加工、バーリング加工など）を実施することがみに大きくしても大きな効果はなく、K＝3以増えてきているので、十分な余裕を取る必要が下で計算される。又、式(4)、式(5)の関係からある。

設計疲労曲線を用いる場合の最大許容圧力は180MPaとなる。この事から単層円筒の場合は…(6)200MPa以下で使用するのが良い。この値以上の圧力、回数を要求する場合は、最適疲労曲線

VB：増圧機容積（L）を用いた疲労解析を行わなければならないが、

β：圧縮比

この解析と、破壊工学的強度については文献がP：設計圧力（MPa）

市販されているので参考にされたい。

VE：素管容積（Ｌ）

VP：配管容積（Ｌ）

最高圧力は一般的にコーナー Rの成形時に発VR：リーク量（Ｌ）生し、肉厚とコーナー Rの大小で決まる。従っVA：エア残留量（Ｌ）てコーナー Rを小さくし過ぎると高圧を必要とVV：拡管量（Ｌ）(1)

最高圧力の決定

4×10-4（1/MPa）

し、装置が大型化して不経済になる。それ故一
般的には肉厚の５倍程度で留めるべきだが、できるだけ型寄法で折り込み成形するようにして６ 軸押し装置圧力を下げるのが良い。実際の圧力決定におい減肉、破裂を防ぎ且つシールを目的として、ては幾多の式があるが、最も簡単な式(5)を記

第13図の様に油圧シリンダの先端にパンチを載する。

取り付けて制御を行う。 軸押し力量は塑性変形力量、成形圧力の反力、摩擦力の合計で決ま…(5)り式(7)で求める。素管径が大きく、肉厚が薄P : 成形圧力t: パイプ肉厚

R : コーナー R
σ : 塑性応力
第13図

軸押しシリンダ

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チューブハイドロフォーム（T・H・F）とは… (6)い場合は、成形圧反力と塑性変形力量との比率軸心が極端に違う場合は、第16図のようにが極端に小さくなり制御精度が悪くなる。この同一部品２個つなぐ、他の部品との一体化を図様な場合には第14図に示すようにバランスシる、ダミーベンドを追加して軸方向を合わせリンダを取り付けて、反力を相殺すれば改善さるなど行えば歩留まりも良くなり一石二鳥であれる。

る。又、プレス軸心と水圧反力による荷重中心が一致しないことが多く、大きな偏心荷重を受…(7)ける場合がある。さらに金型のパーティング面が水平でない場合は分力が働き金型がずれる恐れがあるのでので、注意が必要である。

第14図

バランスシリンダ
第16図

７ プレス機
ハイドロフォーミングの金型は第15図及び(2)

軸心を整える方法

メカロック方式

式(8)に示すようにシール部分を含めた成形品

プレス方式は大型プレスが必要となるが、メの投影面積に成形圧力を掛けて算出されるが、カロック方式は第17、18図に示すようにテー成形圧力が超高圧であるため、大きな反力を受パーリング又は、テーパークランプを使用して、ける。この反力を受け止める方法に２種類ある。

反力を受け止める方法である｡ 形状に制約あるもののテーパーリング方式はリングが閉断面であり、金型ひずみが小さく、大きな反力を受けることができる。又、テーパークランプはテーパーリングに比べれば受け止める反力は小さいが、テーパーリング方式より金型面積が大きく取れる利点があり、いずれも小スペース、省エ

第15図

ネルギー化が可能である。写真３はテーパーリ

加工品と投影図

…(8)F ：水圧による反力
P ：成形圧力A W ：投影面積
(1)

第17図

テーパーリング方式

第18図

テーパークランプ

プレス方式

ハイドロフォーミング成形品は形状が複雑で、プレス軸心と通常一致しない。そのため軸押しシリンダを傾けて取り付ける場合があるので、通常汎用性の高い油圧プレスが用いられる。

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写真３

柱上開閉器

写真４

単車リアフォーク

ング方式で製作された柱上開閉器ケースと金型＜参考文献＞

部、写真４は単車のリアフォークとクランプ部（1)高圧ガス保安協会KHKS 0220（2016）（2)新日鉄住金ホームページである。

８ おわりに以上、ハイドロフォーミングについて初心者

筆者紹介向けに一般的なことを記載した。専門的知識をお持ちの方にはさぞ退屈されると思うがご容赦願いたい。

福村 卓巳㈱山本水圧工業所

営業部

顧問

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