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 5 報：縦扁平断面曲がり部の成形過程における材料の変形挙動）
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
ハイドロフォームで製造される自動車骨格部材の多くは矩形断面曲がり部(高さ H、幅 W)を有し、この部位の成形の成否がしばしば問題となる。これまでは H が素管径(D)より小さい横扁平 断面を対 象にドロー ベンド(DB)、プリフォーム(PF)条件および Aspect 比(W/H=2～3)がハイドロフォーム(HF)での減肉に与える影響を報告してきた 1)-4)。本報では W が D より小さい縦扁平断面（Aspect 比 0.5）を対象とした PF、HF での変形挙動を FEM 解析で検討した結果を紹介する。
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 4)までと同一。要素分割は周方向 3°、軸方向 2mm ピッチ。
(2)DB（Fig.1）：R120－90°曲げ(2-ball mandrel)。プ
レッシャダイ移動 Ls=188.5(管軸円弧長)。摩擦係数 0.1。
(3)PF（Fig.2）：DB 品直管部を移動 Die、固定 Die で挟んだ状態からスタート。1st Step では移動 Die で水平つぶし、
2nd Step では Punch で垂直つぶし。摩擦係数 0.2。
Tangent point(TP)

φ56

TP

R2φ56

R120(4)HF（Fig.3）：PF 品を Die cavity 中央にセットし、軸押し無しで昇圧（Max.250MPa）して曲がり部を拡管。
素管からの周長増加率は 10%。摩擦係数 0.1。曲がり部中心軸の曲率半径は R120（DB から HF まで同一）。
3. 解析結果と考察(１)PF 状況：(a)断面形状(45°断面)；Fig.4(a)(b)は水平つぶし、垂直つぶし前後の形状変化、Fig.5 は水平つぶし過程での背側、腹側の Flattening 状況を示す。
ⅰ)(Fig.4(a)&Fig.5)水平つぶしでの背側 Flattening 域の広がりは腹側より大きく、背側が優先的につぶれる。
DB での減肉と曲面剛性が腹側より小さいことによる。
ⅱ)(Fig.4(b))垂直つぶしで上面が平坦化。下面側は Die側壁との摩擦によって Punch 力が伝わりにくく、上下非対称形状につぶれる。
(b)背側挫屈状況；Fig.6 に背側画像を示す。
ⅰ)(Fig.6(a))水平つぶしにともなう背側材料の軸方向圧縮によって挫屈が発生。同時進行する背側のFlattening も挫屈を生じ易くしているといえる。
ⅱ)(Fig.6(b))HF によって軸方向の大きな波うちは消滅するが、高さ方向に筋状の痕跡が残る。
Punch

Movable die

36
Pressure die

Bent tube2-ball mandrel

LsFig.1 Draw-bending

Bent tube

Sec.A

A

1ststep

Movable die
37PunchR138.565

Stationary die

37
Fig.2 Preforming die

B

37.7
Sec.C

66

4-R10

Movable die

Outsidewall
fa

40
fc

20

fa

Inside wallfc

Sm

0
0

10
20
30
102030
Displacement of movable die Sm/mm
Displacement of movable die Sm/mm

Fig.5 Difference in flattening during preforming
between outside wall and inside wall of bend

37.7

66

R120

4-R10

Bent tube

Residualwrinkles

75.4

A60

0Sec.B

75.4

Sec.A
C

Stationary dieCa(a) Horizontal pressing(b)Vertical pressing
Fig.4 Variation of cross-sectional shape of bend
during preforming

2ndstep

R101.5

Stationary die

Height of flattend area
fa,fc/mm

Movable die

Fixedmovable die30

Fig.3 Hydroforming die(a) PF(b) HF

Fig.6 Appearances of outside wall of bendCircumferential strain εθ(c)背側挫屈対策；挫屈抑制策として、PF での背側つぶれ量(Fig.4Ca)の減少、背側 Flattening 防止が考えられる。前者として Fig.7 に示す Mandrel 後方 Off-set 5)による DB での扁平化、後者として移動 Die での背側凹み模様形成の効果を検証。Fig.8 に各々の背側画像を示す。
ⅰ)(Fig.8(a))Mandrel Off-set 量 S の増加とともに挫屈は小さくなり、S>約 35 の条件で HF 後痕跡もほぼ消滅。
ⅱ)(Fig.8(b))背側凹み模様を形成しながら水平つぶしを行うことによって PF での挫屈は効果的に減少。凹み模様は HF で消去される。

0.1000.20.40.60.81Backward off-set of 2-ball mandrel S/D

Fig.7 Variation of flattening at 45°cross section ofbend with backward off-set of 2-ball mandrel
PFHFPFHF

0.10-0.1-0.2
50(b)周方向肉厚分布；Fig.11 に DB、PF、HF での周方向肉厚歪分布の推移を示す。
ⅰ)PF で背側コーナ、腹側コーナ部付近に増肉が見られ、水平つぶしでの軸方向圧縮、垂直つぶしでの幅方向圧縮の影響と思われる。
ⅱ)HF 減肉（PF と HF の肉厚歪の差）は上下面中央から腹側コーナ部一帯に集中。背側中央(a 部)、腹側中央(c 部)での HF 減肉は見られず、εθの挙動(Fig.10)と対応している。
f b e
InsideOutsidea0.2
wall cwall
Thickness strain εt

Flattening of outside wall
ΔD/DS

0.2

100
150
200250Internal pressure /MPa
Fig.10 Variations of circumferential strains on
45°cross section of bend with internal pressure

0.3
ΔD
φD(60.5)

Outsidewall

Insidewall0

Tangent point

0.2

0.3

0.1

(b)Concave outside wallFig.8 Appearances of outside wall of bend afterpreforming and hydroforming（45°断面）(２)HF 状況：(a)拡管状況；Fig.9、Fig.10 は昇圧にともなう断面形状の変化と各部位の周方向歪εθの変化を示す。
ⅰ)(Fig.9)内圧 50MPa で PF 品の上下非対称形状は修復。
昇圧につれて左右にも対称形となり、約 200MPa で背腹コーナ部がほぼ同時に cavity 壁に接触。Aspect 比が小さく、背腹コーナ部肉厚差が小さいことによる。
ⅱ)(Fig.10) 昇圧によるεθの増加は背側コーナから腹側コーナまでの上下面（曲げ側壁部）に集中。当初から cavity 壁に接触している背側中央(○印)、腹側中央(□印)ではεθの変化は見られない。

0MPa
50MPa
100MPa200MPaFig.9 Variation of cross-sectional shape at 45°
cross section of bend with internal pressuredfcgd
Peripheral position

hh-0.1-0.2DBPFHF-0.3-0.4(a) Mandrel off-set(S=35)

g0aebaFig.11 Circumferential distributions of thickness
strain at 45 ° cross section of bend afterdraw-bending, preforming and hydroforming
4. 結言
管のドローベンド（DB）、プリフォーム（PF）、ハイドロフォーム（HF）による縦扁平矩形断面曲がり部（Aspect 比 0.5）の成形過程の FEM 解析を行い、縦扁平形状に起因する以下の変形挙動が明らかとなった。
(1)PF の水平（幅）つぶし過程でのつぶれは背側で大きく、軸方向圧縮による背側挫屈が発生。本 Aspect 比では HF 後も痕跡が残る。
(2)挫屈軽減には DB での Mandrel 後方 Off-set による扁平化、PF での背側への凹み模様形成が有効である。
(3) HF での減肉は上下面中央から腹側コーナ部一帯に集中し、背側中央、腹側中央での HF 減肉は見られない。
参考文献
1)坂口ほか：平 21 春塑加講論(2009)，415.
2)坂口ほか：60 回塑加連講論(2009)，373.
3)石垣ほか：平 22 春塑加講論(2010)，177.
4)石垣ほか：61 回塑加連講論(2010)，447.
5)特許 3613785