管のドローベンド条件が次工程ハイドロフォームでの拡管変形に与える影響
塑正

*坂口
金田

尚良 (山本水圧)
直人 (山本水圧)

1. 緒言
ハイドロフォームで製造される自動車構造部材は曲がり形状のものが多く、曲がり部のハイドロ拡管破断がしばしば問題となる。プリベンドで形成される偏肉と加工硬化にハイドロフォームでの変形が組み合わされ、現象は複雑である。これまでに、歪経路からの検討 1)、軸押しハイドロでの破断部位 2)、材料特性の影響 3)、曲げ工法の影響 4)、軸押し無しハイドロでの破断部位 5)などが報告されている。本報では、ドローベンド部を軸押し無しのハイドロフォームで円形断面に拡管する場合の変形挙動に与える曲げでの扁平化およびバックブースタの影響を FEM で検討した結果について紹介する。
2. FEM 解析条件（LS-DYNA、シェル要素）(1)素管（STKM11A 鋼管を想定）：外径φ60.5、肉厚2mm、長さ 418mm。Fig.1 に示す直線硬化型の応力～
歪 関 係 を 設 定 （ 降 伏 点 σ y=354MPa 、 ヤ ン グ 率 E＝206GPa、塑性域勾配 Et=1.26GPa 、ポアソン比＝0.3）。
要素分割は周方向 3°ピッチ、軸方向 2mm ピッチ。
(2)ドローベンド工程：（Fig.2、90°曲げ）素管 Top をクランプし、曲げダイ（R=120、材料との摩擦係数μ=0.1）の回転と同時にプレッシャダイ（μ=0.2）を軸方向に前進（移動量 Ls）。曲げでの扁平化の程度はマンドレルの条件（無、ボールマンドレル玉数）によって変化。バッ
クブースタ推力 Fb は 0～49KN（管圧縮応力 fb=0～133MPa）の範囲で変化。
(3)ハイドロフォーム工程：（Fig.3 参照）
曲げ管両端 Nodeをハイドロ型（材料との摩擦係数μ=0.1）に固定した軸押し無しの条件で円形断面に同芯拡管（拡管率 10%）。

Fig.1 Relationship between stress and strain in
uni-axial tension test of tube

Fig.2 Tooling for draw-bending塑正 石垣塑正 小嶋

勝士 (山本水圧)
正康 (山本水圧)

Fig.3 Dimensions of part hydroformed from bent tube
3. 解析結果と考察(1)マンドレル条件による曲げ扁平化の影響：
扁平化はプレッシャダイ接線力 Pf（Fig.2）の影響 9)も受ける。そこで、ハイドロ前の曲げ解析は Pf=0 となるプレッシャダイ同期移動量 Ls* 7）で実施した。Fig.4 にマンドレル条件と曲げ部 45°断面の扁平率α、周長減少率βの関係を示す。既報 8)の如く、α大の条件ほどβが大きい。
(a)拡管状況；Fig.5 は、ハイドロでの 45°断面の周方向各部位での内圧 p による金型との隙間δの変化を示す。
ⅰ)いずれのマンドレル条件でも、ａ部（背）でのδ減少がｂ部（側壁）、ｃ部（腹）より低内圧で開始しており、ハイドロ初期昇圧過程では扁平矯正が先行する。曲げ扁平大ほど、昇圧に伴うａ部δの減少が急である。
ⅱ)さらに昇圧するとｂ、ｃ部でもδが減少し始め、全周が膨張する。金型に接触する内圧は、初期δが大きい
マンドレル無しの a、b 部でやや大きくなるが、他のマンドレル条件では部位による差違は認められない。

Fig.4 Variation of ovality and reduction of circumferential length at 45°cross section of bent tube
with mandrel conditions in draw-bending

Fig.5 Effects of mandrel conditions on variation ofclearance between tube and die wall at 45°crosssection with increase of internal pressure

(b)肉厚歪；Fig.6 は、マンドレル条件別に、曲げ後とハイドロ後の肉厚歪の軸方向分布を比較した結果である。
ⅰ)条件によらず、ハイドロ後のｔmin 部位は a 部（背）。
ⅱ)ａ部は、扁平大ほど曲げでの減肉が小さいがハイドロ工程での減肉が大きい。マンドレル無しの曲げでは扁平化に加えて背側に凹みが形成されるので、ハイドロ工程での軸方向引張が助長され、さらに減肉し易い。
ⅲ)ハイドロ工程での減肉はｂ部（側壁）で最も大きい。
b 部減肉はａ部と同様にマンドレル無しの条件で特に大きく、ａ部よりも大きな周方向伸びを伴う。
ⅳ)ハイドロ工程でのｃ部（腹）減肉は小さく、マンドレル条件による差違は小さい。

(b)肉厚歪；Fig.8 は、Fb による曲げ後およびハイドロ後の肉厚歪の変化を 45°断面の周方向部位毎に調査した結果である。
ⅰ)Fb 付加により、既報 6)と同様、曲げ品のａ部（背）、ｂ部（側壁）、ｃ部（腹）の肉厚が増加する。
ⅱ)Fb によらず、ハイドロ後のｔmin 部位はａ部。
ⅲ)Fb によらず、ハイドロ工程での減肉はｂ部で最も大きく、c 部で小さい。
ⅳ)Fb の増加により、ａ、ｂ、ｃ各部のハイドロ後の肉厚が増加する。その効果は、Fb の増加による曲げ品の肉厚増加と同程度であり、曲げでの減肉抑制がそのままハイドロ品の肉厚に反映される。

Fig.8 Variation of thickness strain at 45 ° crosssection of bent tube and hydro-formed part withincrease of tube boosting force in draw-bending
4. 結言
ドローベンド条件が軸押し無しでの円形断面ハイドロフォーム（10%同芯拡管）での変形挙動に与える影響をFig.6 Change of longitudinal distribution of
thickness strain caused by hydro-forming
FEM 解析で検討し 、以下の結果を得た。
(2)バックブースタ推力Ｆb の影響：
(1) マンドレル条件による曲げ扁平化の影響；曲げ歪に与えるプレッシャダイ接線力 Pf の影響を除く ①ハイドロ工程の初期昇圧過程で曲げ扁平は矯正される
ため、Fb 毎に Pf=0 となるプレッシャダイ移動量 Lsが、特に扁平が大きいマンドレル無しでは、a 部（背）、（=Ls* ）を設定。なお、Fb による扁平率の変化 7)を小さ
b 部（側壁）を金型に接触させるのに必要な内圧がｃくするため、曲げは 3-ball マンドレルの条件で実施。
部（腹）より大きくなる傾向がある。
(a)拡管状況；Fig.7 は 45°断面周方向各部位での内圧 p ②曲げ扁平の程度によらず、ハイドロ後のｔmin 部位はによる金型との隙間δの変化に与える Fb の影響を示す。
ａ部。扁平大の条件ほどハイドロでのａ部減肉大。
ⅰ)Fb の大きさによらず、a 部（背）のδはｂ部（側壁）、 ③曲げ扁平の程度によらず、ハイドロでの減肉はｂ部でｃ部（腹）よりも低内圧で減少し始める。
最も大きく、ｃ部で小さい。
ⅱ)Fb の増加によって、特にｃ部を金型に接触させるの (2)バックブースタ推力 Fb の影響；に必要な内圧が増加する。Fb の増加に伴う曲げでのｃ ①Fb 増加によりｃ部を金型に接触させるのに必要な内部の肉厚と加工硬化の増加によるものと思われる。
圧が増加する。
②Fb によらず、ハイドロ後のｔmin 部位はａ部。Fb 大ほどハイドロ後のｔmin が増加する。
③Fb によらず、ハイドロ工程での減肉はｂ部で最も大きく、ｃ部で小さい。
参考文献
1)中村他:54 回塑加連講論(2003), p343
2)水村他:H16 塑加春講論(2004), p289
3)水村他:55 回塑加連講論(2004), p105
4)水村他:57 回塑加連講論(2006), p437
5)園部他:58 回塑加連講論(2007), p4016)橋本他:57 回塑加連講論(2006), p359
Fig.7 Effects of tube boosting force on variation of7)石垣他:57 回塑加連講論(2006), p361
clearance between tube and die wall at 45°cross8)石垣他:H19 塑加春講論(2007), p373
9)石垣他:58 回塑加連講論(2007), p557
section with increase of internal pressure