JP4673633B2 - ハイドロフォーミング装置及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、管材に内圧を付加しつつ、その管材の両端を軸押しして管材を拡管成形するハイドロフォーミング装置及び方法に関するものである。

従来、管材（パイプ材）を径方向に拡管成形するときに、ハイドロフォーミング（ハイドロフォーム）が用いられる場合がある。

そのハイドロフォーミングは、例えば、図７に示すように、拡管形状（製品形状）に合わせて凹部５２が設けられた金型５１に管材５４を収容した後、その管材５４に内圧（液圧）を付加して、管材５４の一部を膨張、変形させることで行われる。さらに、成形時に拡管箇所の肉厚が過度に減少しないように、管材５４の両端を軸押し工具５５により軸押しするようにしている（例えば、特許文献１参照）。

特許３３５１２９０号公報

しかしながら、上述した装置では、成形しない部分（以下、素管部分）５４ａが長いと以下のような問題が発生した。

ハイドロフォーミング時に付加される内圧は、拡管箇所だけでなく素管部分５４ａにも掛かるため、その内圧により素管部分５４ａの外周面が金型５１に押し付けられる。管材５４が軸押しされると、素管部分５４ａが金型５１と摺動することとなり、その摺動部分に摩擦力が発生する。その摩擦力により軸押しによる素管部分５４ａの移動が阻害される。特に、素管部分５４ａが長い場合には、摺動面積が大きくなるため、軸押し工具５５が受ける摩擦力が増大し、素管部分５４ａを中央部側（拡管箇所側）まで移動させることが困難となる。

そのため、素管部分５４ａの端部（管材５４の端部、管端部）が軸押し力により圧縮されて、管材５４の端部の肉厚が増加してしまうという問題があった。また、肉厚増加による管材５４の減少を考慮する必要があるため、製品（成形材）を得るために必要な管材５４（被加工材）の長さが長くなる。つまり、管材５４の長さが余計に必要となる。さらに、管材５４の中央部側での軸押しの効果が十分得られないため、拡管箇所では肉厚が過度に減少してしまう。

そこで、金型５１との摩擦係数を低くするために管材５４に表面処理を施して、管材５４の端部の肉厚増加を抑制するようにしているが、そのような管材５４への表面処理は、製造コストの増大などを招いていた。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、管材と金型との摩擦の発生を抑制することができるハイドロフォーミング装置及び方法を提供することにある。

上記目的を達成するために本発明は、金型内に、その金型に収容される管材を拡管するための拡管形成部を形成すると共に、その拡管形成部の両側に上記管材の素管部分を保持する挿通穴を形成し、上記拡管形成部での上記管材の拡管と共に上記管材の両端を上記拡管形成部に向けて軸押ししながら成形するハイドロフォーミング装置において、上記挿通穴に、上記管材の外周を保持する摩擦防止インサートを挿通自在に設け、その摩擦防止インサートの上記拡管形成部側に櫛歯部を形成し、他方、上記挿通穴の上記拡管形成部側に、上記挿通穴の内径を上記管材の外径と同じになるように段部を形成し、その段部に上記摩擦防止インサートの櫛歯部と嵌合する櫛歯部を形成したものである。

好ましくは、上記摩擦防止インサートの櫛歯部と上記段部の櫛歯部とが、上記管材の所望の軸押し量と同じ長さを各々有するものである。

好ましくは、上記摩擦防止インサートの櫛歯部と上記段部の櫛歯部とが、互いの先端を一致させて配置された後、軸押しに合わせて、上記摩擦防止インサートの櫛歯部と上記段部の櫛歯部とが順次互いに嵌合するよう上記摩擦防止インサートが移動されるものである。

好ましくは、上記金型が、上型と下型とから構成され、それら上型と下型との合わせて面に、凹部が各々設けられて上記拡管形成部を形成すると共に、溝部が各々設けられて上記挿通穴を形成するものである。

好ましくは、上記挿通穴に、上記管材の端部と共に上記摩擦防止インサートを上記拡管形成部に向けて押圧して上記管材の端部を軸押しする軸押し工具が設けられたものである。

上記目的を達成するために本発明は、金型内に、その金型に収容される管材を拡管するための拡管形成部を形成すると共に、その拡管形成部の両側に上記管材の素管部分を収容する挿通穴を形成し、上記拡管形成部での上記管材の拡管と共に上記管材の両端を拡管形成部に向けて軸押ししながら成形するハイドロフォーミング方法において、上記挿通穴に挿通自在に、上記管材の外周を保持する摩擦防止インサートを設け、その摩擦防止インサートの上記拡管形成部側に櫛歯部を形成し、他方、上記挿通穴の内径を上記管材の外径と同じになるように段部を形成し、その段部に上記摩擦防止インサートの櫛歯部と嵌合する櫛歯部を形成したものである。

好ましくは、上記摩擦防止インサートの櫛歯部と上記段部の櫛歯部とが、互いの先端を一致させて配置された後、軸押しに合わせて、上記摩擦防止インサートの櫛歯部と上記段部の櫛歯部とが順次互いに嵌合するよう上記摩擦防止インサートが移動されるものである。

本発明によれば、管材と金型との摩擦の発生を抑制することができ、それにより軸押しに伴う管端部の肉厚増加を抑制することができるという優れた効果を発揮するものである。

以下、本発明の好適な一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。

本実施形態のハイドロフォーミング装置は、内圧を付加して管材を拡管し、その管材の拡管と共に管材の両端を軸押ししながら成形を行うものである。そのハイドロフォーミング装置は、特に、直管状の金属管材から、拡管箇所に比べ長い素管部分（成形後に、素管のまま利用する部位）を有する成形材を成形する場合に好適である。そのような成形材としては、例えば、車両のアクスルハウジングなどがある。

図１に示すように、ハイドロフォーミング装置１は、管材５４を収容する金型２と、その金型２内に収容され管材５４を保持する摩擦防止インサート３と、管材５４内に液体（例えば、水など）を注入して管材５４に内圧（液圧）を付加する液圧付加手段（図示せず）と、管材５４の両端を内側に押圧する（つまり、軸押しする）ための一対の軸押し工具４、４とを備える。

金型２は、略矩形体の外形形状を有し、管材５４の軸方向を自身の長手方向（図１において左右方向）に一致させて、管材５４を収容する。本実施形態では、金型２が、上下二分割の構成とされ、上型５と下型６とから構成される。

まず、下型６について説明する。

図１及び図２に示すように、本実施形態の下型６は、長手方向五分割の構成とされ、長手方向中央に配置される第一の下型６ａと、第一の下型６ａの長手方向両側に各々配置される一対の第二の下型６ｂ、６ｂと、それら第二の下型６ｂ、６ｂのさらに長手方向外側に各々配置される一対の第三の下型６ｃ、６ｃとから構成される。

第一の下型６ａの上面（上型５との合わせ面）には、長手方向中央部に形成され、拡管形状の下半分を成形するための凹部７と、その凹部７の長手方向両側に形成され、管材５４（被加工材）の素管部分５４ａを保持するための一対の保持溝８とが設けられる。その保持溝８は、管材５４の素管部分５４ａの外径と同じ径を有する略半円状の断面形状で、長手方向に沿って凹部７から第一の下型６ａの端部まで延出する。

各第二の下型６ｂの上部には、管材５４の素管部分５４ａを保持すると共に、後述する摩擦防止インサート３の櫛歯部２２と嵌合可能な櫛歯部１１が各々形成される。

具体的には、各櫛歯部１１は、第二の下型６ｂの長手方向全長に亘り延出し、櫛歯部１１の上面には、第一の下型６ａの保持溝８と同形状に形成された断面半円状の溝１１ａが設けられる（図１参照）。櫛歯部１１は、長手方向に延出する複数本（本実施形態では、６本）の櫛歯を有し、それら櫛歯は、溝１１ａの周方向に間隔を隔てて配置される。各櫛歯間の間隔は、それらの間に、摩擦防止インサート３の櫛歯が挿入可能であり、かつ内圧が付加された管材５４（素管部分５４ａ）が櫛歯間に入り込まないよう、管材５４の肉厚などを考慮して適切に設定される。各櫛歯の長さ（櫛歯部１１の長さ）、つまり、第二の下型６の長さは、管材５４をハイドロフォーミングするための所望の軸押し量よりも長いことが好ましく、本実施形態では、櫛歯の長さが所望の軸押し量よりも若干長い。

各第三の下型６ｃの上面には、摩擦防止インサート３をスライド可能に支持する案内溝１２が各々形成される。その案内溝１２は、摩擦防止インサート３の外径よりも若干大きな径を有する略半円状の断面形状を有し、第三の下型６ｂの長手方向全長に亘り延出する。

これら第一の下型６ａ、第二の下型６ｂ、６ｂ及び第三の下型６ｃ、６ｃが長手方向に整列することで、保持溝８、８と案内溝１２、１２と凹部７と櫛歯部１１、１１の溝１１ａ、１１ａとが連続する。

第一の下型６ａの各保持溝８と各第二の下型６ｂの櫛歯部１１とから段部１０が各々形成され、その段部１０と各第三の下型６ｃの案内溝１２とから溝部９が各々形成される。

本実施形態の上型５は、下型６が上下反転された形状を有し、第一の下型６ａ、第二の下型６ｂ、６ｂ及び第三の下型６ｃ、６ｃが、第一の上型５ａ、第二の上型５ｂ、５ｂ及び第三の上型５ｃ、５ｃに各々対応する。

これら上型５及び下型６が、各々上型ホルダー（図示せず）及び下型ホルダー１６（図５及び図６参照）内に保持され、それら上型ホルダー及び下型ホルダー１６が、例えば、ボルトなどの締結部材（図示せず）などにより互いに結合される。

これにより、図１に示すように、上型５と下型６とに各々設けられた凹部７、７により、管材５４を拡管するための拡管形成部（キャビティ）１８が区画、形成される。上型５と下型６とに各々設けられた溝部９、９により、拡管形成部１８の両側に形成され管材５４の素管部分５４ａを保持する挿通穴１９が区画、形成される。また、挿通穴１９の拡管形成部１８側、つまり段部１０により区画、形成される部分は、挿通穴１９の他の部位よりも径が小さく、かつ管材５４（素管部分５４ａ）の外径と同じ径を有することになる。

本実施形態では、挿通穴１９に、管材５４の外周を保持する一対の摩擦防止インサート３、３が挿通自在に各々設けられる。各摩擦防止インサート３は、長手方向に延出する円筒状の部材で、金型２の合わせ面を境に上下に分割して構成される。摩擦防止インサート３は、管材５４の素管部分５４ａの外径に等しい内径と、挿通穴１９の内径よりも若干小さい外径とを有する。摩擦防止インサート３の長手方向内側端部には、段部１０の櫛歯部１１と嵌合可能な櫛歯部２２が形成される。摩擦防止インサート３は、管材５４よりも高い剛性を有し、管材５４を介して内圧が加わった場合にも膨張、変形しないような材料からなる。

櫛歯部２２は、長手方向に延出する複数本（本実施形態では、６本）の櫛歯から構成される。それら櫛歯は、摩擦防止インサート３の周方向に沿って互いに所定間隔を隔てて配置される。各櫛歯間の間隔は、それらの間に、段部１０の櫛歯が挿入可能であり、かつ液圧が付加された管材５４が櫛歯間に入り込まないよう、管材５４の肉厚などを考慮して適切に設定される。また、本実施形態では、各櫛歯（櫛歯部２２）は、段部１０の各櫛歯と同じ長さを有する。なお、摩擦防止インサートの櫛歯部と段部の櫛歯部とを各々異なる長さで形成してもよい。

摩擦防止インサート３は、その櫛歯部２２を段部１０の櫛歯部１１に挿入することで、金型２に対して長手方向に移動可能に収容される。

さらに、一対の軸押し工具４、４が、挿通穴１９、１９に各々配置される。各軸押し工具４は、摩擦防止インサート３の長手方向外側に各々配置される。軸押し工具４は、摩擦防止インサート３の外径と略同じ径を有する円板状の部材で、その中心部には、長手方向内側に突出する突出部４ａが設けられる。その突出部４ａは、基部の径が管材５４の内径と略等しく、先端に至るにつれ径が狭まる円柱形状を有する。その突出部４ａの中心には、長手方向に延出し、管材５４内と液圧付加手段とを連通させるための貫通穴４ｂが設けられる。

さらに、軸押し工具４を長手方向に駆動するための駆動手段（例えば、シリンダ装置など）が設けられる（図示せず）。

次に、本実施形態のハイドロフォーミング装置１を用いたハイドロフォーミング方法について説明する。

まず、図３及び図５に示すように、摩擦防止インサート３を上型５及び下型６の案内溝１２に設置した後、管材５４を上型５及び下型６の保持溝８及び櫛歯部１１にセットし、それら上型５及び下型６とを組み付けて固定する。このとき、摩擦防止インサート３は、その櫛歯部２２の先端を段部１０の櫛歯部１１の先端に最小限嵌合させて配置する。また、管材５４の端面と摩擦防止インサート３の長手方向外側の端面とを一致させる。さらに、管材５４の両端から軸押し工具４、４を挿通穴１９、１９に挿入する。このとき、各軸押し工具４は、その突出部４ａを管材５４内部に挿入させると共に、突出部４ａより外側の側面を、管材５４の端面と摩擦防止インサート３の長手方向外側の端面とに各々当接させる。

次に、液圧付加手段により管材５４内に内圧を付加して管材５４を拡管させ、その拡管形成部１８での拡管と共に管材５４の両端を拡管形成部１８に向けて軸押しする。

その軸押しは、軸押し工具４により、管材５４の端部と共に摩擦防止インサート３を拡管形成部１８に向けて押圧して行う。より具体的には、軸押し工具４の側面を、管材５４の端面と摩擦防止インサート３の端面とに各々当接させながら、軸押し工具４を金型２の長手方向内側に向かい移動させる。

それにより、管材５４の素管部分５４ａが拡管形成部１８側（拡管箇所側）に移動すると共に、摩擦防止インサート３の櫛歯部２２と段部１０の櫛歯部１１とが順次互いに嵌合しながら、摩擦防止インサート３が長手方向内側（拡管形成部１８側）に移動する。上述したように、軸押し工具４の側面が、管材５４の端面と摩擦防止インサート３の端面とに常に当接しているため、摩擦防止インサート３と素管部分５４ａとは、同時に同じ移動量だけ（一緒に）移動する。

本実施形態では、摩擦防止インサート３と段部１０が係合したとき（つまり、摩擦防止インサート３の櫛歯部２２と段部１０の櫛歯部１１とが最大限嵌合したとき）、軸押し量（移動量）が拡管に必要な所定値（所望の軸押し量）に達し拡管が完了する（図４及び図６参照）。

このように、本実施形態では、摩擦防止インサート３を素管部分５４ａと共に移動させているので、素管部分５４ａと摩擦防止インサート３との間には摩擦がなく、素管部分５４ａに作用する摩擦力は、保持溝８及び櫛歯部１１に対するもののみとなる。従って、成形しない部分（素管部分５４ａ）が比較的長い場合にも、管材５４の素管部分５４ａと金型２との摺動面積が、従来と比べて大幅に低減し、素管部分５４ａと金型２との間の摩擦力を抑制することができる。それにより、素管部分５４ａの移動に対する抗力が低減し、素管部分５４ａを中央部側（拡管箇所側）へと容易に移動させることができる。

この結果、管端部の肉厚増加が小さくなる。また、管材５４の拡管箇所の薄肉化を抑制することができる。また、摩擦力が抑制されるので、より少ない駆動力で、軸押し工具４を駆動することができる。

また、肉厚増加による管材長さの減少を考慮する必要がないので、軸押し量が少なくなり、被加工材として用いる管材の長さを従来よりも短くでき、管材５４を節減することができる。

また、段部１０と摩擦防止インサート３とを櫛歯部１１及び櫛歯部２２を介して相対移動可能としているので、内圧が掛かる素管部分５４ａを、長手方向全域に亘って外周側から押さえることができ、素管部分５４ａの望ましくない変形を防止することができる。

また、管材５４への表面処理を廃止することができ、製品の製造コストを低減することができる。

また、櫛歯部１１を有する第二の上型５ｂ及び第二の下型６ｂを、凹部７を有する第一の上型５ａ及び第一の下型６ａと別部材とすることで、例えば、同径の管材５４を拡管成形する場合に、第一の上型５ａ及び／又は第一の下型６ａを変更するだけで、異なる拡管形状に容易に対応することができる。つまり、第一の上型５ａ及び第一の下型６ａ以外を共用することができる。

また、軸押し前に、予め摩擦防止インサート３の櫛歯部２２と段部１０の櫛歯部１１とを嵌合させておくことで、摩擦防止インサート３の回転位置が規制され、摩擦防止インサート３を容易に配置することができる。

ここで、本実施形態のハイドロフォーミング装置１による管材の板厚増加抑制効果を確認すべく、上述した図７の従来の装置との比較を、シミュレーションにより行った。そのシミュレーションでは、φ８０の管材（素管）の中央部をφ１６０に拡管すると共に、その拡管箇所の両側に各々８００ｍｍの長さで素管部分を確保するハイドロフォーミングを模擬した。管材は、材質がＳＴＫＭ１３Ａ、板厚が４ｍｍ（ｔ＝４ｍｍ）とした。

本実施形態のハイドロフォーミング装置１の場合、成形により板厚が最も増加した部分は、管端部と拡管箇所との略中間部分であり、成形後の最大板厚が、４．５１ｍｍであった。従来の装置の場合、成形により管端部の板厚が最も増加し、成形後の最大板厚が、４．９９ｍｍであった。この結果から、本実施形態のハイドロフォーミング装置１では、従来の装置と比べて管端部の板厚増加を抑制できることが分かる。

このように本実施形態では、ハイドロフォーミング（成形）において管材の軸押し時に発生する管端部の肉厚（板厚）増加を抑制することができる。

なお、本発明は上述の実施形態に限定されず、様々な変形例や応用例が考えられるものである。

例えば、摩擦防止インサートの櫛歯部と段部の櫛歯部とを、所望の軸押し量と同じ長さで形成し、軸押し前に、それら摩擦防止インサートの櫛歯部と段部の櫛歯部とを互いの先端を一致させて配置し、軸押しに合わせて、摩擦防止インサートの櫛歯部と段部の櫛歯部とが順次互いに嵌合するよう摩擦防止インサートを移動させてもよい。この場合、摩擦防止インサートを軸押し工具のストッパとして用いることができ、軸押し量を正確に定めることができる。

また、本実施形態では、金型２を、上型５と下型６とに二分割しそれら上型５及び下型６をさらに各々五分割して構成したが、金型の構成はこれに限定されない。

また、摩擦防止インサートと軸押し工具とを一体化する、つまり、摩擦防止インサートを、一方の側方が開放され他方の側方が閉止された円筒状に形成することが考えられる。この場合、部品数が減少するので、摩擦防止インサート及び管材の位置決めを、より容易に行うことができる。

本発明に係る一実施形態によるハイドロフォーミング装置の断面図である。 本実施形態のハイドロフォーミング装置の金型の斜視図である。 本実施形態のハイドロフォーミング装置の拡大断面図であり、成形スタート時の状態を示す。 本実施形態のハイドロフォーミング装置の拡大断面図であり、成形終了時の状態を示す。 本実施形態のハイドロフォーミング装置の金型及び摩擦防止インサートの斜視図であり、成形スタート時の状態を示す。 本実施形態のハイドロフォーミング装置の金型及び摩擦防止インサートの斜視図であり、成形終了時の状態を示す。 従来のハイドロフォーミング装置の断面図である。

符号の説明

１ ハイドロフォーミング装置
２ 金型
３ 摩擦防止インサート
１０ 段部
１１、２２ 櫛歯部
１８ 拡管形成部
１９ 挿通穴
５４ 管材
５４ａ 素管部分

Claims (7)

1. 金型内に、その金型に収容される管材を拡管するための拡管形成部を形成すると共に、その拡管形成部の両側に上記管材の素管部分を保持する挿通穴を形成し、上記拡管形成部での上記管材の拡管と共に上記管材の両端を上記拡管形成部に向けて軸押ししながら成形するハイドロフォーミング装置において、
   上記挿通穴に、上記管材の外周を保持する摩擦防止インサートを挿通自在に設け、その摩擦防止インサートの上記拡管形成部側に櫛歯部を形成し、他方、上記挿通穴の上記拡管形成部側に、上記挿通穴の内径を上記管材の外径と同じになるように段部を形成し、その段部に上記摩擦防止インサートの櫛歯部と嵌合する櫛歯部を形成したことを特徴とするハイドロフォーミング装置。
2. 上記摩擦防止インサートの櫛歯部と上記段部の櫛歯部とが、上記管材の所望の軸押し量と同じ長さを各々有する請求項１記載のハイドロフォーミング装置。
3. 上記摩擦防止インサートの櫛歯部と上記段部の櫛歯部とが、互いの先端を一致させて配置された後、軸押しに合わせて、上記摩擦防止インサートの櫛歯部と上記段部の櫛歯部とが順次互いに嵌合するよう上記摩擦防止インサートが移動される請求項１または２記載のハイドロフォーミング装置。
4. 上記金型が、上型と下型とから構成され、それら上型と下型との合わせて面に、凹部が各々設けられて上記拡管形成部を形成すると共に、溝部が各々設けられて上記挿通穴を形成する請求項１から３いずれかに記載のハイドロフォーミング装置。
5. 上記挿通穴に、上記管材の端部と共に上記摩擦防止インサートを上記拡管形成部に向けて押圧して上記管材の端部を軸押しする軸押し工具が設けられた請求項１から４いずれかに記載のハイドロフォーミング装置。
6. 金型内に、その金型に収容される管材を拡管するための拡管形成部を形成すると共に、その拡管形成部の両側に上記管材の素管部分を収容する挿通穴を形成し、上記拡管形成部での上記管材の拡管と共に上記管材の両端を拡管形成部に向けて軸押ししながら成形するハイドロフォーミング方法において、
   上記挿通穴に挿通自在に、上記管材の外周を保持する摩擦防止インサートを設け、その摩擦防止インサートの上記拡管形成部側に櫛歯部を形成し、他方、上記挿通穴の内径を上記管材の外径と同じになるように段部を形成し、その段部に上記摩擦防止インサートの櫛歯部と嵌合する櫛歯部を形成したことを特徴とするハイドロフォーミング方法。
7. 上記摩擦防止インサートの櫛歯部と上記段部の櫛歯部とが、互いの先端を一致させて配置された後、軸押しに合わせて、上記摩擦防止インサートの櫛歯部と上記段部の櫛歯部とが順次互いに嵌合するよう上記摩擦防止インサートが移動される請求項６記載のハイドロフォーミング方法。
   

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