管のﾄﾞﾛｰﾍﾞﾝﾄﾞ、ﾌﾟﾘﾌｫｰﾑ、ﾊｲﾄﾞﾛﾌｫｰﾑによる矩形断面曲がり部の成形ｼﾐｭﾚｰｼｮﾝ（第 3 報：ﾌﾟﾘﾌｫｰﾑ条件と成形特性の関係に与える横扁平断面ｱｽﾍﾟｸﾄ比の影響）
塑正*石垣 勝士 (山本水圧)
塑正 坂口 尚良 (山本水圧)
金田 直人 (山本水圧)塑正 小嶋 正康 (山本水圧)
1. 緒言
自動車足廻りに使用されるハイドロフォーム部品は横扁平矩形断面のものが多く、曲がり部断面の幅／高さ(アスペクト比α)が大きいほど成形が難しくなるとされている。前報 1)2)ではドローベンド(DB)、プリフォーム(PF)、ハイドロフォーム(HF)でα=2 の曲がり部を成形する場合、PF 条件(A、B-type)によって HF die cavity
内の PF 品の位置が変化し、HF の減肉に影響が現われることを示した。本報ではαを 3 まで拡大し、前報 PF
条件に加えて PF die cavity 幅を変化させ、PF 条件と成形特性の関係に与えるαの影響を FEM で検討した。
2. FEM 解析条件（LS-DYNA、シェル要素）(1)素管：φ60.5×2t×418L。材料特性は前報 1)と同一。
(2)DB（Fig.1）：R120－90°曲げ（2-ball mandrel3））、プレッシャダイ移動量 Ls、摩擦係数は前報 1)と同一。
(3) PF（Fig.2）：DB 品を製品平面形状にならった cavity
中央にセットして横扁平につぶす A-type、DB 品背側直線部を型に当て、腹側に初期隙間Δi を設けた PF 型でつぶす C-type（Δi≒0 は前報 B-type の条件）。
(4)HF（Fig.3）：軸押し無し（管端 Node 金型固定）でMax.400MPa の内圧を付加し、α=2～3 の矩形断面に拡管。素管からの周長増加率 10%、摩擦係数μ=0.1。

Sec.aa4-R10R120WaRoh Sec.bRih30

Roh=120+Wa/2
Rih=120-Wa/2

b4-R10Hα
2 37.7
2.5 32.5
3 28.3

Fig.1 Draw bending

R120Rop

Rip30

Rop=120+wa/2
Rip=120-wa/2bC-type

Bent tubeahh⊿iwah
α2372.532328wb
wa
74
7983wb65
70
74

Sec.aPunch

Sec.b
Punch

hh

R120
30

Rip

Rop

⊿iwa

Rip=Rop-wabwbwawb
α h Rop
2 37 157 68～74 63
3 28 162 73～83.5 67.8

Fig.2 Preforming dies

Buckling
α=3( Δi=11.3)

α=2.5(Δi=9.3)(a) A-type

Sec.bPunch

Very smallSmallbucklingbuckling

Δi=11.3
Δi=9.8(b) C-type(α=3)
Fig.4 Appearance of preformed tube

Δi=7.8Minimum internalpressure necessary
for full expansion(MPa）aSec.aPunch

Wb66
71.3
75.3

3. 解析結果と考察（１）PF 条件と PF 状況：(a)腹側折れ込み；Fig.4(a)は A-type でのα別の PF 品外観、同(b)はα=3、C-type 初期隙間Δi 別の PF 品外観、Fig.5 は A-type PF 後の HF で腹側 die cavity コーナ R部(R10)に接触するまで拡管するのに必要な内圧を示す。
(1)αの増加とともにΔi が増加する A-type では、
Fig.4(a)に示すようにα=2.5、3 で腹側に折れ込み発生。Fig.4(b)より、α=3 でもΔi が小さければ折れ込みが生じない。
Δi 小の条件で折れ込みが防止されるのは、PF 過程でワーク腹側が型に接触する時期が早まるためと言える。
(2)Fig.5 に示すように、折れ込みは HF での必要内圧を増加させ、αが大きいほどその弊害が大きい。

α=2( Δi=6.8)

A-typeWb
Wa
75.4
80.8
84.8

HFig.3 Hydroforming dies

Buckling

Bent tube

H400
A-type

2000.

2.

2.5.

3

Aspect ratio of cross section of bend αFig.5 Variation of the minimum internal pressurenecessary for full expansion of inside wall of bend inhydroforming with aspect ratio.

10S

du50⊿i⊿10.

W0W.

Δw=W－W00.

.

.

α=3 、C-typePF⊿i(mm)
9.8
5.8
1.8

10500.

10

Preformed tube
InsideOutside.

2030

Preforming punch stroke S(mm)Fig.6 Cross sectional shapes of bend during preforming .

Side spaces between tube
wall and hydroforming
die cavity wall δ(mm)（２）PF 条件(C-type)と HF 状況：(45°断面)(a) HF die cavity 内の初期ワーク位置；Fig.7 はΔi とPF 品セット時および初期昇圧（55MPa）で上下面の凹みが消滅した時のワーク背腹と die cavity 壁の間隙の関係、Fig.8 はΔi とワーク幅の関係を示す。
(1)Fig.7 より、PF 品と壁の間隙はΔi 増加により背側で増加し、腹側で減少。この傾向は凹み消滅時も同様。
(2)凹み消滅にともなう壁との間隙の減少は背腹同程度で、cavity 内ワーク位置の背腹バランスに変化はない。
Inside wall

Outside wall
55MPa15δaδcδa'δc'10δaδa'5δc

α=3 、C-typePF

δc'24681012
Initial inside wall clearance Δi (mm)Fig.7 Variations of side spaces of preformed tube inhydroforming die cavity with initial inside wall
clearance in preforming die cavity.

Tube widthW’,W(mm)8055MPa
W75W’

70W

65

W'

α=3 、C-typePF
024681012
Initial inside wall clearance Δi (mm)Fig.8 Variations of width of tubes after preforming andafter applying internal pressure of 55MPa with initialinside wall clearance in preforming die cavity.

Thickness strain εtat 45°cross section

500(3)Fig.8 に示すように、Δi が小さいほど凹み消滅にともなうワーク幅の増加が大きく、Δi によるワーク幅の差は減少する。
(b)HF 減肉；Fig.9 はΔi と PF、HF 品背腹肉厚歪の関係、Fig.10 は PF 品背腹と HF die cavity 壁の間隙（Fig.7）と HF での減肉の関係を示す。
(1)Fig.9 より、PF、HF 品の肉厚歪の差（HF 減肉）はΔi の増加とともに背側で促進され、腹側で抑制される。
(2)Fig.10 より、背腹ともに PF 品と die cavity 壁の間隙が増加すると HF 減肉が大きくなる。HF 減肉への間隙の影響は腹側より背側で敏感に現われ、背腹ともにαが大きい方が同一間隙での HF 減肉が大きい。

0.40.20-0.2-0.4-0.6

HydroformedInsidOutside
250M

0.
.
.
.
.
.
24681012
Initial inside wall clearance Δi (mm)Fig.9 Variations of thickness strains of preformed andhydroformed tubes with initial inside wall clearance inpreforming die cavity.
Thinning duringhydroforming ∣εt∣

Inside wall Increase Depth ofclearanceof width deflectionΔ(mm)Δｗ(mm) du(mm)(b)曲がり部断面形状(C-type 45°断面)；Fig.6 はα=3の場合の PF 過程での腹側と die cavity 壁の間隔( Δ)、幅広がり( Δw)、凹み深さ(du)の変化をΔi 別に示す。
(1)Δi の減少によって腹側が型に接触する時期が早まると PF 過程での幅広がりの増加は抑制される。
(2)Δi の減少とともに終点での凹み深さは増加する。これは上記幅広がりの減少と関連している。

▲
△
●
○0.4

α=3 Outside
α=2 Outside
α=3 Inside
α=2 Inside

0.2

0024
681012Side spaces of preformed tube inhydroforming die cavity δa,δc (mm)Fig.10 Variations of thinning of outside and insidewalls during hydroforming with side space ofpreformed tube in hydroforming die cavity.
4．結言
横扁平矩形断面曲がり部を DB、PF、HF で成形するプロセスの FEM 解析を行い、PF 条件と成形特性の関係に与える断面アスペクト比(α)の影響を調査した。
(1)αの増加により、PF 工程で腹側に折れ込みが発生する危険がある。HF での必要内圧を増加させる折れ込みを回避するには、PF die cavity 内の DB 品腹側と cavity壁の初期隙間(Δi)を小さく設定することが有効である。
(2)Δi によって HF die cavity 曲がり部での PF 品の幅方向位置を調整することができる。
(3)背腹共に PF 品と HF die cavity 壁の間隙の増減によって HF 減肉が増減する。HF 減肉への間隙の影響は腹側より背側で敏感に現われ、背腹ともにαが大きい方が同一間隙での HF 減肉が大きくなる。
〔参考文献〕
1)坂口,石垣,金田,小嶋;H21 塑加春講論,(2009),415-416
2)坂口,石垣,金田,小嶋;60 回塑加連講論,(2009),373-374
3)石垣,坂口,金田,小嶋;H19 塑加春講論,(2007),373-374